基于印度G33標(biāo)準(zhǔn)的翻車機(jī)研制

朱昌進(jìn) 熊光寶

中國(guó)電建集團(tuán)武漢重工裝備有限公司

1 引言

近年來，國(guó)內(nèi)重型裝備企業(yè)緊跟國(guó)家“走出去”的發(fā)展戰(zhàn)略，積極開拓海外市場(chǎng)。某司于近期簽訂了印度電廠翻車機(jī)項(xiàng)目，并根據(jù)技術(shù)協(xié)議和印度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完全滿足用戶和印度標(biāo)準(zhǔn)要求。通過研究相關(guān)技術(shù)文件及印度鐵道部翻車機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)G33(Rev.1)[1]，發(fā)現(xiàn)印度市場(chǎng)對(duì)翻車機(jī)的需求與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要的不同點(diǎn)在于以下方面：

(1)由于印度本地煤礦內(nèi)的石塊等雜物較多，業(yè)主通常會(huì)要求翻車機(jī)煤篦子布置于零米層，以便于小型鏟斗車駛上煤篦子清除堆積在煤篦子上的雜物。

(2)印度市場(chǎng)習(xí)慣于采用液壓馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)元件，翻車機(jī)系統(tǒng)均采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)齒輪之間不再設(shè)置任何減速機(jī)構(gòu)，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)通常使用變頻電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)。

(3)印度市場(chǎng)翻車機(jī)的稱重裝置與翻車機(jī)平臺(tái)一體化集成，而國(guó)內(nèi)的軌道衡通常布置在翻車機(jī)進(jìn)車端的鐵路軌道上，采用單獨(dú)的一套系統(tǒng)運(yùn)行。

(4)G33標(biāo)準(zhǔn)要求翻車機(jī)的靠車裝置與敞車側(cè)立柱之間保持金屬接觸，而國(guó)內(nèi)的靠車裝置通常在靠車裝置上裝有高密度橡膠板，防止在翻卸過程中對(duì)敞車造成損壞。

(5)標(biāo)準(zhǔn)要求敞車的頂部壓車裝置包括6個(gè)橫向壓車梁(共12個(gè)壓持點(diǎn))，并且每個(gè)壓持點(diǎn)需按標(biāo)準(zhǔn)要求布置，而國(guó)內(nèi)的翻車機(jī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此沒有明確的要求，常規(guī)翻車機(jī)有8個(gè)壓持點(diǎn)，港口翻車機(jī)多為4個(gè)壓持點(diǎn)。

(6)G33標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求翻車機(jī)平臺(tái)上安裝夾軌器，防止在翻卸作業(yè)中車輛發(fā)生意外移動(dòng)，國(guó)內(nèi)的翻車機(jī)通常沒有該要求。在翻車機(jī)平臺(tái)增加夾輪器會(huì)增加翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載阻力矩，影響驅(qū)動(dòng)裝置的功率選型。

2 系統(tǒng)布局型式及主要參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鐵路線及場(chǎng)地情況，設(shè)計(jì)系統(tǒng)布置型式(見圖1)。

該翻車機(jī)系統(tǒng)采用折返式布置型式，系統(tǒng)主要由重車調(diào)車機(jī)、夾輪器、翻車機(jī)、安全止擋器、遷車臺(tái)、空車調(diào)車機(jī)組成。為保證系統(tǒng)的運(yùn)行效率，各個(gè)設(shè)備之間的布置較為緊湊，其中重車線和空車線距離為12.75 m，遷車臺(tái)中心線矩翻車機(jī)中心線20 m，翻車機(jī)中心線距離夾輪器中心為15.5 m。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先由重車調(diào)車機(jī)將整列重車牽引至夾輪器位置，夾輪器將第二節(jié)敞車輪對(duì)夾緊，防止整列重車在鐵路上溜車。

隨后由人工將第一節(jié)敞車和第二節(jié)敞車之間的車鉤摘開，重車調(diào)車機(jī)牽著第一節(jié)重車到翻車機(jī)的平臺(tái)上定位。定位完畢后，重車調(diào)車機(jī)駛出翻車機(jī)區(qū)域，翻車機(jī)的壓車機(jī)構(gòu)和靠車機(jī)構(gòu)將敞車夾緊并開始翻轉(zhuǎn)。在此過程中，重車調(diào)車機(jī)返回初始位置，將第二節(jié)重車掛住，牽向翻車機(jī)，待翻車機(jī)內(nèi)的敞車翻卸完畢并回轉(zhuǎn)到零度位置時(shí)，重車調(diào)車機(jī)將第二節(jié)重車牽向翻車機(jī)平臺(tái)定位，同時(shí)將空車推上遷車臺(tái)。

遷車臺(tái)將空車皮遷移至空車線，由空車調(diào)車機(jī)將空車推出遷車臺(tái)，并在空車線上集結(jié)，至此一個(gè)翻卸循環(huán)完畢。整列重車的翻卸，就是不斷的重復(fù)上述循環(huán)，直至整列重車翻卸結(jié)束。

翻車機(jī)系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 翻車機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

3 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

翻車機(jī)單元結(jié)構(gòu)主要由主軸支承裝置、端盤、壓車裝置、靠板系統(tǒng)、靠車梁、電纜上機(jī)支架、托車平臺(tái)、稱重秤架、稱重裝置、傳動(dòng)裝置、平臺(tái)銷座組成(見圖2)。

翻車機(jī)的主體結(jié)構(gòu)采用側(cè)傾式結(jié)構(gòu)，在工作過程中，翻車機(jī)本體及敞車的重量完全依靠翻車機(jī)兩端的主軸支承裝置托住，驅(qū)動(dòng)裝置的小齒輪與翻車機(jī)端盤上的齒圈嚙合，并推動(dòng)翻車機(jī)繞主軸支承裝置正翻或回翻。

1.主軸支承裝置 2.端盤 3.壓車裝置 4.靠板系統(tǒng) 5.靠車梁 6.電纜上機(jī)支架 7.托車平臺(tái) 8.稱重秤架 9.稱重裝置 10.傳動(dòng)裝置 11.平臺(tái)銷座圖2 翻車機(jī)結(jié)構(gòu)組成

3.1 主軸支承裝置

主軸支承裝置的作用是托住翻車機(jī)本體結(jié)構(gòu)及鐵路敞車，主軸支承裝置中設(shè)有回轉(zhuǎn)軸承，可以讓翻車機(jī)轉(zhuǎn)子連同敞車一起繞該軸回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)卸車功能(見圖3)。為防止端盤和主軸之間發(fā)生相對(duì)位移，設(shè)置了一種鎖緊套裝置，可以將主軸和端盤連接成為牢固的整體。

圖3 主軸支承裝置結(jié)構(gòu)

3.2 端盤

在翻車機(jī)的進(jìn)出車端分別設(shè)置有進(jìn)車側(cè)端盤、出車側(cè)端盤。在端盤的外沿設(shè)置有齒條裝置，驅(qū)動(dòng)裝置的小齒輪與該齒條嚙合推動(dòng)端盤旋轉(zhuǎn)(見圖4)。在此項(xiàng)目中，由于翻車機(jī)的偏心距較大，端盤直徑達(dá)到了9 600 mm,為了便于發(fā)貨時(shí)的公路運(yùn)輸，設(shè)計(jì)時(shí)將端盤做成了分段結(jié)構(gòu)，每段端盤的最大尺寸均不超過公路運(yùn)輸限界。

圖4 端盤及靠車梁

3.3 靠車梁

靠車梁的作用是將翻車機(jī)兩端的端盤連接成為一個(gè)整體，形成一個(gè)穩(wěn)固的剛性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，同時(shí)在靠車梁上設(shè)有壓車裝置和靠板裝置的支座，便于安裝壓車裝置和靠車裝置，實(shí)現(xiàn)敞車在翻車機(jī)上的定位夾緊。靠車梁在工作中受彎扭組合作用，整體應(yīng)力狀況較為復(fù)雜。

3.4 靠板裝置

靠板裝置是一塊由4只油缸及兩端的撐桿共同支撐的平板結(jié)構(gòu)件，當(dāng)重車在翻車機(jī)平臺(tái)上定位完畢后，靠板系統(tǒng)的4只液壓油缸首先動(dòng)作，將靠板緩緩?fù)瞥觯敝量堪逋耆c敞車的側(cè)面貼合，液壓系統(tǒng)自動(dòng)將靠車油缸液壓鎖鎖緊，完成對(duì)敞車側(cè)面的定位固定，防止敞車翻轉(zhuǎn)過程中的側(cè)向滑移。靠板的內(nèi)部還設(shè)置有2塊靠板振動(dòng)裝置，振動(dòng)裝置上安裝有振動(dòng)電機(jī)，當(dāng)翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)至最大角度時(shí)，啟動(dòng)振動(dòng)電機(jī)，振動(dòng)裝置對(duì)敞車側(cè)立柱進(jìn)行擊振，將車廂內(nèi)剩余物料震落至料斗內(nèi)(見圖5)。

圖5 靠板裝置

3.5 壓車裝置

壓車裝置的結(jié)構(gòu)見圖6，連接于壓車支座上的壓車油缸推動(dòng)壓車臂繞鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)前端的壓車均衡梁運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敞車壓車和松壓動(dòng)作。

壓車裝置包含1個(gè)車輛轉(zhuǎn)向架彈簧彈性勢(shì)能的釋放機(jī)構(gòu)，其采用雙活塞油缸方案，翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)敞車對(duì)頂部壓車梁作用力超過油缸閥塊釋壓閥的設(shè)定值時(shí)，壓車梁就會(huì)自適應(yīng)的向上抬起，以釋放車輛轉(zhuǎn)向架彈簧中的彈性釋能，保證壓車裝置及車廂不承受過大的應(yīng)力。翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)角度達(dá)到最大角度160°時(shí)，壓車裝置鎖施加的壓力應(yīng)正好滿足承受空車重量的需要。

圖6 壓車裝置結(jié)構(gòu)

3.6 驅(qū)動(dòng)裝置

翻車機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置采用低速大扭矩液壓馬達(dá)直接與齒輪軸連接，馬達(dá)的殼體采用扭力臂與底座連為一體，液壓馬達(dá)的制動(dòng)器與馬達(dá)集成為一體(見圖7)。

圖7 驅(qū)動(dòng)裝置組成及結(jié)構(gòu)

由于翻車機(jī)旋轉(zhuǎn)中心與敞車中心的水平距離達(dá)到了3 100 mm，造成翻車機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)載阻力矩較大，給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來了困難。為減小翻車機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，需要在端盤上遠(yuǎn)離敞車的一側(cè)布置平衡配重，來減小翻車機(jī)轉(zhuǎn)子整體重心產(chǎn)生的負(fù)載阻力矩，同時(shí)還需要加大翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)功率，并提高嚙合的齒輪、齒條的強(qiáng)度。

3.7 平臺(tái)及稱重裝置

翻車機(jī)的平臺(tái)與端盤通過平臺(tái)銷座及平臺(tái)掛鉤與端盤連接，翻車機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，允許平臺(tái)有一定的浮動(dòng)，其作用是，當(dāng)翻車機(jī)處于零度狀態(tài)時(shí)，平臺(tái)直接落于底部的秤架上，這時(shí)，平臺(tái)不與翻車機(jī)端盤接觸，保證敞車稱重的準(zhǔn)確性。當(dāng)翻車機(jī)開始翻轉(zhuǎn)時(shí)，端盤上的平臺(tái)銷座帶動(dòng)平臺(tái)逐漸從秤架上的定位錐上脫離，并隨端盤一起旋轉(zhuǎn)。

4 計(jì)算分析

4.1 翻車機(jī)翻卸時(shí)負(fù)載變化規(guī)律

為分析翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)過程中各個(gè)機(jī)構(gòu)的受力變化，以及整體重心的變化規(guī)律[2-3]，需要對(duì)翻車機(jī)翻卸過程中的負(fù)載變化規(guī)律進(jìn)行分析。圖8是翻卸BOXN敞車時(shí)，隨著翻卸角度的變化，翻車機(jī)各機(jī)構(gòu)的受力變化曲線，其中，(a)為翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)過程中車廂內(nèi)物料重量的變化曲線；(b)為翻卸過程中敞車整體高度的變化；(c)為靠板裝置所受靠車力的變化曲線；(d)為壓車裝置所受負(fù)載的變化曲線。由該曲線可知，靠車機(jī)構(gòu)受力最大的位置發(fā)生在翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)至55°時(shí)，而壓車力則隨著翻轉(zhuǎn)角度的變化而不斷增加。初始階段由于壓車裝置還未與敞車接觸，故壓車力為零。

圖8 靠車機(jī)構(gòu)及壓車機(jī)構(gòu)的受力變化曲線

4.2 翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)功率校核

根據(jù)翻車機(jī)翻卸過程中物料的變化規(guī)律，可以得到翻車機(jī)在翻轉(zhuǎn)過程中整體重心的變化情況；再根據(jù)翻車機(jī)轉(zhuǎn)子整體重心與回轉(zhuǎn)中心的水平距離，算出翻車機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)載阻力矩；再通過驅(qū)動(dòng)裝置小齒輪與翻車機(jī)端盤轉(zhuǎn)子齒條的傳動(dòng)比關(guān)系，求得驅(qū)動(dòng)裝置需要提供的功率情況。圖9所示為翻車機(jī)翻卸總重為102.6 t的BOXNHA敞車時(shí)，翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)載阻力矩的變化情況，可見翻車機(jī)需要最大功率發(fā)生在正翻的起始階段。

圖9 翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)載變化曲線

4.3 關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核

根據(jù)翻車機(jī)翻卸過程中物料變化規(guī)律所得到的各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的載荷情況，通過對(duì)關(guān)鍵部件的受力分析，可以計(jì)算出各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，用此來分析翻車機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)備的使用要求(見圖10)。通過分析，翻車機(jī)工作時(shí)各主要結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布均滿足材料的安全使用要求。

圖10 關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核

5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

研制的該型翻車機(jī)主要有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：

(1)本項(xiàng)目完全依照用戶要求采用印度鐵道部G33標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的布置形式及翻車機(jī)結(jié)構(gòu)配置均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，符合印度市場(chǎng)需要。

(2)物料翻卸時(shí)，混入物料中的雜物直接落在煤篦子上方，便于小型作業(yè)機(jī)械直接駛上煤篦子進(jìn)行機(jī)械化清理雜物，減小了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。同時(shí)煤篦子布置于零米層，還可以減少土建施工的基礎(chǔ)開挖量，降低項(xiàng)目的建設(shè)成本。

(3)國(guó)內(nèi)翻車機(jī)的稱重裝置一般采用成套的翻車機(jī)軌道衡，并布置于翻車機(jī)入口處的鐵路軌道上，與翻車機(jī)本體設(shè)備不產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。而印度市場(chǎng)的翻車機(jī)要求翻車機(jī)稱重裝置與翻車機(jī)平臺(tái)一體化集成，為了實(shí)現(xiàn)該要求，本次翻車機(jī)的設(shè)計(jì)中采用了如下結(jié)構(gòu)：翻車機(jī)回到零度時(shí)，托車平臺(tái)通過定位錐落入安裝于地面的秤架上，與翻車機(jī)平臺(tái)脫開一段距離，實(shí)現(xiàn)翻車機(jī)一體化稱重。

(4)采用集成的獨(dú)立控制和釋放的壓車油缸，壓車油缸可以單獨(dú)控制，同時(shí)每一個(gè)油缸內(nèi)部設(shè)置有釋放油缸，當(dāng)壓車裝置的受力超過設(shè)定值時(shí)，壓車裝置能夠進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，防止壓車力超過設(shè)計(jì)值。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目對(duì)印度市場(chǎng)的翻車機(jī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，通過采取側(cè)傾式主體結(jié)構(gòu)、活動(dòng)平臺(tái)等措施，滿足了印度鐵道部G33標(biāo)準(zhǔn)要求，翻車機(jī)在整個(gè)翻轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)，敞車及物料均位于煤篦子上方，可為今后國(guó)內(nèi)重型裝備走向海外提供參考和借鑒。