臂式斗輪堆取料機液壓俯仰能力提升

王 強

（揚州泰富特種材料有限公司，江蘇揚州 225200）

0 引言

斗輪堆取料機作為重要的現代化裝卸和輸送設備，已廣泛應用于港口、電廠、冶金企業等大型散狀物料原料存儲場[1]。斗輪堆取料機與料場地面膠帶輸送機組成機械化連續、高效的物料輸送系統，使料場物料的堆取料作業更加機械化、自動化。

1 堆取料機結構特點

本文研究的DQLZ3000/4500 41.5 型臂式斗輪堆取料機主體機構（圖1）：主體上部機構采用三角結構平衡、雙油缸液壓俯仰式臂架，回轉平臺及門座主體為環行結構，行走機構與門座布置為四腿三支承型式。回轉上部偏心設計為基本對稱于回轉中心，回轉平臺上沒有固定配重。

圖1 DQLZ3000/4500·41.5 型臂式斗輪堆取料機主體機構

2 俯仰系統參數與原理

2.1 俯仰系統參數

俯仰系統參數：俯仰油缸為UY120IR250/160-1 型；仰俯機構型式為液壓雙油缸；驅動裝置型式為雙作用油缸；液壓系統工作壓力小于18.5 MPa；液壓系統公稱壓力23 MPa；仰俯速度小于5 m/min（斗輪中心）；大臂仰角+9°；大臂俯角-10.3°；電機功率30 kW。

2.2 俯仰機構運行原理

本機采用了整體俯仰形式，即臂架上下俯仰與上部結構件一起聯動，驅動系統采用液壓驅動，主要由液壓站（包括電機、油泵、電液換向閥、油箱等）、配管及液壓油缸組成。液壓驅動單元主要包括油箱、電動泵及組件、電磁換向閥、安全閥等。其工作原理是：當需要挖取不同的物料層或堆高物料時，通過司機室發出指令，啟動電機、油泵、控制換向閥，向油缸供油使油缸伸縮從而實現斗輪和斗輪臂的俯仰。

本機構的傳動形式為：電機→液壓工作站→油缸。油缸伸縮速度可調范圍為0～12 mm/s；斗輪頭部俯仰速度小于5 m/min；上俯仰角度為+9°；下俯仰角度為-10.3°。在臂架俯仰的極限位置設有兩級限位保護，確保臂架的安全。

同時，該液壓系統設有閉鎖設施，在油缸非工作期間內油缸每24 h 伸縮變化小于5 mm。俯仰時工作平穩、可靠，可防止斗輪臂失穩。對整個系統和元件進行了1.25 倍設計壓力的耐壓試驗，無漏油現象，有效防止內漏造成的斗輪臂下降，避免影響堆、取料作業的穩定運行。

3 問題分析

3.1 現狀分析

經過10 年生產作業使用，此堆取料機整體結構出現以下問題：雨季、潮濕天氣狀況下，礦粉粘結成塊附著在堆取料機取料斗、斗輪體、前臂皮帶機支架等部位，增加了前臂架的重量，導致取料機的俯仰油缸承受超額負重。俯仰油缸初始提升時，在接近地面低位時不動作，需用吊機帶動提升400～500 mm 高度后，俯仰油缸才能緩慢抬升動作。

另外，生產作業指導要求定期對堆取料機進行積料沖洗、清理，但又產生疊加問題：人工清理效率不能滿足各礦種間的高頻率切換；而水沖洗的清理方式效率高，但對堆場的礦料含水量影響較大，不滿足礦料水分指標的要求。

3.2 影響因素及調整措施

3.2.1 地基下沉因素

原料場因多年物料的堆載，料條、軌道地基基礎出現自然沉降，但因追求礦粉物料的堆存能力最大化，堆取料機取料時降低了斗輪體的下降限位，由原設計地面20 cm（軌下0.5 m）調整至0 點位，使原油缸的起始點前移，造成了油缸啟動時內部油液運行對自由桿頂升推力不足。

3.2.2 配重平衡因素

堆取料機上部機構配重架已安裝108 t 配重，配重架卡槽中間調整配重塊重量在3 t 左右。根據現場實際使用狀態，已出現堆取料機上部機構前后平衡點改變，原配重已經失衡。

增加配重的方式進行調整平衡：在整個上部機構支撐下，前臂架41.5 m 的外伸距與26.5 m 的配重架。在受力分析后逐步增加調節配重塊2.2 t，俯仰起升效果不明顯。同時考慮到回轉平臺內部回轉支撐的正壓整體受力，不再繼續增加配重來調整整機前后平衡。

3.2.3 油缸本體因素

液壓油缸使用時各閥門、管接口無外漏現象，壓力測試穩定。拆解檢查油缸內壁磨損、密封圈變形等情況，也未發現明顯失效。更換同型號新油缸后，使用效果改善不明顯。

3.2.4 液壓系統的因素

液壓系統的壓力有恒壓變量泵建立的液壓力實現泄壓回路、壓力控制回路、流量控制回路。疊加式平衡閥組件、油泵、管路運行穩定，調節平衡閥至系統壓力最大值28 MPa，俯仰起升效果改善不明顯[2]。

4 堆取料機俯仰液壓系統受力檢測

4.1 系統測試

測試過程：

（1）使堆取料機大臂處于水平部位。

（2）俯仰油缸上下腔分別連接1 只精密油壓表。

（3）分別記錄臂架慢慢升起停止和下放停止時的穩態油壓。

（4）通過油壓計算出油缸處的推力N2，再根據圖紙上相關尺寸通過油缸受力N2推算出接地力N1。

4.2 受力計算

油壓測試數據記錄及計算如下（1 MPa=100 t/m2）：

油缸處受力為N2，則：

式中，P下、P上、A下、A上分別為下腔和上腔的壓力與截面積。其中：

式中，n 為油缸數量，本機油缸數量為2，油缸活塞直徑d1=250 mm，活塞半徑r1=0.125 m，活塞桿直徑d2=160 mm，活塞桿半徑r2=0.08 m。

計算各取料機的油缸受力N2（表1）。

表1 油缸壓力測試 MPa

由以上關系推算出對應堆取料機平均接地力為18.5 t。

4.3 承載分析

通過測試發現接地力明顯過大，將導致工作停機時（臂架皮帶上有物料的情況）臂架抬起困難，可通過增加配重的方式減小接地力，從而減輕液壓系統油缸工作壓力。也可通過調整液壓缸有桿腔與無桿腔之間的壓力差消除抬起困難，但并不能減小接地力（圖2）。

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圖2 堆取料機接地力計算示意

圖2 中，L1=41 500 mm；L2=19 011 mm，配重G 與接地力N1的關系為：

由式（4）可知，要通過增加配重減小接地力，每減小1 t 接地力需要增加2.18 t 配重。

5 俯仰油缸改造及液壓系統提升方案

根據雨季天氣料場料潮濕粘料特點，在俯仰油缸初始動作處于受力最大的狀態，對俯仰系統起升狀態時粘附的積料進行收集并稱重，測得斗輪體積料為5.2 t。

5.1 技術參數確定

根據原油缸及增加的配重計算，單個油缸受力約150 t。系統額定壓力為25 MPa，實際使用壓力為22 MPa。具體參數調整后如下：

（1）系統額定壓力25 MPa，原推力為122 t，加大后推力為176 t。

（2）系統額定壓力25 MPa，原拉力為72 t，加大后拉力為126 t。

（3）前后安裝距不改變，安裝孔不改變，油口尺寸不變。

（4）加大后油缸重量在原油缸基礎上增加約800 kg。

5.2 油缸設計

5.2.1 缸徑的選擇

5.2.2 桿徑的選擇根據設計手冊和行業標準，計算桿徑d=D×（0.62～0.65）=186～195 mm，圓整確定桿徑為200 mm。

5.2.3 密封的選擇

考慮俯仰油缸傾斜安裝，露天使用，工況比較惡劣。所以活塞桿活塞密封均采用進口品牌V 組系列密封。此密封形式為5 片一組，對于工況惡劣的環境使用效果很好。

5.2.4 支承導向的選擇

考慮俯仰油缸傾斜安裝，側向力比較大，所以桿端采用自潤滑軸承作為導向，自潤滑軸承具有摩擦因數小，耐磨耐腐蝕，最大承載荷為250 N/mm2，使用壽命長。另外為了增加油缸導向性能，油缸內部活塞端增加了一段450 mm 長的行程隔套，從而更好地保證油缸動作時的穩定性。

綜上所得，現將原UY120IR250/160-1700 型俯仰油缸的缸徑加大至300 mm，調整為UY120IR300/200-1700 型，其技術參數為缸徑300 mm；桿徑200 mm；行程1700 mm；工作壓力25 MPa；測試壓力32 MPa；緩沖行程70 mm（圖3）。

圖3 俯仰油缸設計

5.3 液壓俯仰機構安裝測試

（1）液壓系統通電，油路自循環檢查及各閥塊連接檢查。

（2）抬升俯仰5～10 cm 臂架，往復5～10 次清除液壓缸內空氣，至液壓系統正常工作。

（3）俯仰運行測試，檢驗有無干涉部位，修正處理。

依據設計將臂架俯仰到最高點（用長卷尺測量斗齒的離地距離）安裝俯仰最高極限限位：

（1）以斗輪臂仰起時斗輪的斗子的最下位置至軌道面上平面13 m，俯下至軌道上平面以下0.5 m 為準各10 次，調準俯仰限位開關位置并確保安全可靠。

（2）用儀器或小繩將斗輪的斗齒系住并量出13 m 時，碰限位開關停止動作，同時調整電磁溢流閥的調壓螺釘，將壓力表調至18.5 MPa。

（3）俯下至軌面以下約0.5 m 碰限位開關停止，當上、下位置限位準確后，試調單向節流閥根據秒表測量在13.5 m 內仰起要多少時間，根據時間和距離計算俯仰速度是否在3.0～5.0 m/min 范圍。

（4）在液壓變幅調試過程中首先只能向上升100～120 mm左右（以臂架前端輔助支承架上平面為基準），慢升、慢下試驗4～5 次，一直到調準為止。

設備安裝后在空載狀態下，吊裝配重時油缸顯示數值：

（1）前臂架水平放置，油缸受拉，有桿腔壓力-2.85 MPa。

（2）臂架向上仰9.0°，油缸受拉，有桿腔壓力-13.47 MPa。

（3）臂架向下俯-10.3°，油缸受壓，無桿腔壓力5.23 MPa。

6 結論

通過將DQLZ3000/4500 41.5 型臂式斗輪堆取料機的問題分解，結合受力分析和有效的儀器檢測、核算，新設計增大型俯仰油缸的方案符合使用要求，同時滿足機構受力要求，經過半年跟蹤監測，設備達到了預期的使用效果，保證了堆取料機作業的正常穩定運行。