斗輪堆取料機(jī)堆取料工藝及液壓缸計(jì)算

摘 要：本文主要研究了斗輪堆取料機(jī)的堆取料工藝及其液壓缸壓力計(jì)算。通過(guò)分析斗輪堆取料機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)闡述了手動(dòng)和程序控制下的取料與堆料過(guò)程，并重點(diǎn)探討了液壓俯仰機(jī)構(gòu)在空載和滿載狀態(tài)下的重心偏移量及液壓缸的壓力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，液壓缸在不同工況下的壓力需求不同，需要根據(jù)具體工況合理選擇液壓缸規(guī)格及系統(tǒng)壓力等級(jí)，以確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文可以為其他斗輪堆取料機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機(jī)；俯仰機(jī)構(gòu)；重心計(jì)算；壓力計(jì)算；堆料工藝；取料工藝

中圖分類號(hào)：X 32" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

斗輪堆取料機(jī)是指一種用于大型干散貨堆場(chǎng)的既能堆料又能取料的連續(xù)輸送的高效裝卸機(jī)械。隨著生產(chǎn)能力提升，人們對(duì)物料堆取能力要求提高，臂式斗輪堆取料機(jī)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于鋼廠、電廠等各重工行業(yè)。斗輪堆取料機(jī)主要有操作簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、能耗小和效率高4個(gè)特點(diǎn)，它將取料和運(yùn)輸一起進(jìn)行，提高堆取料的整體工作效率。

斗輪堆取料機(jī)主要由斗輪機(jī)構(gòu)、上部金屬結(jié)構(gòu)、膠帶機(jī)、俯仰機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、門座、行走機(jī)構(gòu)、中心落料系統(tǒng)、尾車、配重、梯子欄桿、灑水系統(tǒng)、照相系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等部件構(gòu)成。

斗輪堆取料機(jī)主要是在長(zhǎng)形料場(chǎng)中，利用走行、俯仰、回轉(zhuǎn)三大運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)斗輪裝置[1]，將料場(chǎng)中的物料取出，卸到懸臂帶式輸送機(jī)上，再經(jīng)過(guò)地面膠帶機(jī)運(yùn)出，完成取料作業(yè)；懸臂帶式輸送機(jī)可正反運(yùn)行。堆料時(shí)，地面膠帶機(jī)的物料由尾車卸到懸臂帶式輸送機(jī)上，同樣利用走行、俯仰、回轉(zhuǎn)三大運(yùn)動(dòng)按要求將物料堆積到料場(chǎng)中[1]。

斗輪堆取料機(jī)分為手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制及程序控制，隨著科技進(jìn)步，斗輪堆取料機(jī)更是實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守功能，斗輪堆取料機(jī)正向智能化發(fā)展。

1 取料及堆料工藝

斗輪堆取料機(jī)料堆截面形狀為梯形或三角形料堆，堆料形狀主要由料場(chǎng)寬度及斗輪堆取料機(jī)臂長(zhǎng)、料堆高度、工藝需求來(lái)決定，最常見為梯形料堆。

以圖1斗輪堆取料機(jī)為例，要求料堆寬42.5m，料堆高14m。

1.1 手動(dòng)取料及程控取料

1.1.1 手動(dòng)取料

接到中控室的取料指令，操作人員先打開錨定器及夾軌器，開機(jī)聲光報(bào)警。調(diào)整該機(jī)到指定的工作位置。此取料方式由現(xiàn)場(chǎng)操作人員完成即可。

起動(dòng)順序?yàn)榈孛嫫C(jī)運(yùn)行→懸臂皮帶機(jī)取料運(yùn)行→斗輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行，即可完成取料作業(yè)（地面皮帶機(jī)→懸臂皮帶機(jī)→斗輪機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖）。

手動(dòng)取料的工藝方式是以回轉(zhuǎn)取料來(lái)完成的。此取料方式由現(xiàn)場(chǎng)操作人員完成即可。

手動(dòng)回轉(zhuǎn)取料除了回轉(zhuǎn)速度不能按1/cosθ的規(guī)律無(wú)級(jí)調(diào)速及各項(xiàng)操作應(yīng)用人工外，取料過(guò)程與半自動(dòng)取料是一樣的。

現(xiàn)定手動(dòng)回轉(zhuǎn)取料時(shí)設(shè)定高、中、低3個(gè)擋位。對(duì)應(yīng)速度為0.12r/min、0.08r/min、0.03r/min（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，轉(zhuǎn)速可以向下略有調(diào)整）。

大臂回轉(zhuǎn)和俯仰的操縱采用一個(gè)操作桿來(lái)完成，操作桿由上向右轉(zhuǎn)的檔位依次為右轉(zhuǎn)的低、中、高，中間為零位。由上向左轉(zhuǎn)的檔位依次為左轉(zhuǎn)的低、中、高。而前后搬動(dòng)操作桿則為大臂的下降與上升。

手動(dòng)取料的另一種工藝方式是走行取料方式，這種方式只適用于在遠(yuǎn)離軌道處的少量條形物料。

1.1.2 程序控制取料作業(yè)操作方式

接到中控室的取料指令，駕駛員手動(dòng)利用走行、俯仰、回轉(zhuǎn)將斗輪裝置驅(qū)動(dòng)到指定取料點(diǎn)，再進(jìn)行半自動(dòng)程控取料。PLC對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，按1/COSΦ方式完成取料作業(yè)。當(dāng)取料值達(dá)到機(jī)上設(shè)定的值時(shí)，機(jī)器自動(dòng)停機(jī)。

取料深度：從上至下分為5層[1]，第一層2.6m，第二層到第五層每層2.8m，最下面保留0.2m鋪底料（防止斗輪機(jī)構(gòu)啃地），如圖2所示。

進(jìn)尺量：進(jìn)尺量為0.4m，即每回轉(zhuǎn)一次取料后，大車走行0.4m（進(jìn)尺量以大于或等于半個(gè)斗子的厚度、小于一個(gè)斗子的厚度為最佳）

半自動(dòng)程控取料采用回轉(zhuǎn)取料方式。現(xiàn)定義軌道中心線為0°，將斗輪中心與設(shè)備回轉(zhuǎn)中心連線置于與軌道中心線重合處，并由此位置開始計(jì)算角度變化，角度定為Φ。程控回轉(zhuǎn)取料Φ的取值限定在±12°～±70°[1]。在此范圍內(nèi)，回轉(zhuǎn)采用變頻調(diào)速且按1/CosΦ規(guī)律取料[1]。現(xiàn)定當(dāng)Φ為0°時(shí)，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為0.03r/min，當(dāng)Φ為±70°時(shí)，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為0.12r/min。如果超過(guò)此角度，回轉(zhuǎn)速度仍為0.12r/min（即轉(zhuǎn)速封頂）。

由于夾角Φ限定在±70°，料堆遠(yuǎn)離斗輪機(jī)一側(cè)將留出1條物料沒有取盡，這將用手動(dòng)方式采用大車走行來(lái)完成取料。每臺(tái)斗輪機(jī)軌道兩側(cè)都有料堆，其取料工作轉(zhuǎn)角的絕對(duì)數(shù)值是相等的。

1.1.3 半自動(dòng)程控回轉(zhuǎn)取料工藝簡(jiǎn)述

采用分段回轉(zhuǎn)分層取料，取料開始點(diǎn)由司機(jī)手動(dòng)確定。首先，司機(jī)開機(jī)到位，進(jìn)行程控回轉(zhuǎn)取料，每回轉(zhuǎn)一次完成一個(gè)回轉(zhuǎn)取料后，大車走行前移0.4m（進(jìn)尺量），再進(jìn)行回轉(zhuǎn)取料。其次，大車走行前移0.4m依此類推，完成在此段的第一層取料。再次，大車后退到第二層的始點(diǎn)，進(jìn)行第二層的取料。依此類推，完成5個(gè)料層的分層取料，再進(jìn)行第二段的分層取料。

1.2 手動(dòng)堆料和程控堆料

1.2.1 手動(dòng)堆料

司機(jī)可以根據(jù)實(shí)際情況采用定點(diǎn)走行堆料方式或采用以回轉(zhuǎn)為主的定點(diǎn)堆料方式完成堆料作業(yè)。

1.2.2 程控回轉(zhuǎn)堆料

程控定點(diǎn)堆料采用旋轉(zhuǎn)鱗狀堆料工藝。將14m高的料堆分為2層，第一層（下層）8.3m高，第二層（上層）為5.7m（如圖3所示）。

第一層堆料：手動(dòng)將設(shè)備開至欲開始堆料的位置，回轉(zhuǎn)角度與軌道夾角為66°，懸臂架下俯至-10°，準(zhǔn)備完畢后，開始程控堆料；堆第一堆A1，當(dāng)超聲波傳感器探測(cè)到物料后，懸臂架自動(dòng)抬高0.5m（可調(diào)），繼續(xù)堆料，依次抬起直至將第一堆到8.3m高（此時(shí)懸臂架與地面夾角約為2°）。懸臂架開始向軌道方向旋轉(zhuǎn)4°堆B1堆，當(dāng)B1堆積物料到8.3m高度時(shí)，懸臂架再旋轉(zhuǎn)4°堆C1堆，依此類推，堆料夾角為24°～66°。堆成A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、I1、J1、K1共11小堆，旋轉(zhuǎn)10次。大車后退3m進(jìn)行回轉(zhuǎn)，向相反方向堆料，依次為A2、B2、C2、D2、E2、F2、G2、H2、I2、J2、K2。大車再后退3m，此時(shí)完成了一個(gè)循環(huán)。照此工藝堆下去，直到達(dá)到業(yè)主要求料條長(zhǎng)度，此時(shí)循環(huán)次數(shù)為n。

第二層堆料：大臂抬高至+9.5°，并旋轉(zhuǎn)大臂使之與斗輪中心約為47°，設(shè)備回到第一層堆料時(shí)的起始位置進(jìn)行第二層的第一堆堆料，此堆為a1堆，每次轉(zhuǎn)角為3°，動(dòng)作與第一層的方式相同。堆料夾角為35°～47°。堆成a1、b1、c1、d1共4小堆，循環(huán)次數(shù)為n-2次，即n-2次循環(huán)將第二層堆成。料堆中間部分空隙采用手動(dòng)堆料填平。

2 重心計(jì)算機(jī)液壓缸壓力計(jì)算

按俯仰方式分類，斗輪堆取料機(jī)可以分為液壓俯仰和鋼絲繩俯仰。液壓俯仰即指斗輪機(jī)依靠液壓缸推動(dòng)、拉伸，從而完成整機(jī)上部的俯仰動(dòng)作，以滿足不同高度物料的堆取需求，而鋼絲繩俯仰則是靠電動(dòng)葫蘆纏繞鋼絲繩增加、減少鋼絲繩長(zhǎng)度來(lái)完成上部結(jié)構(gòu)的俯仰。

如果要計(jì)算液壓缸的壓力，首先就要知道液壓缸承受了多大的力矩，被液壓缸支撐的上部金屬結(jié)構(gòu)等部件類似于一個(gè)杠桿機(jī)構(gòu)[2]，而斗輪上部金屬機(jī)構(gòu)共有6種工況，即空載上仰、空載水平、空載下俯、滿載上仰、滿載水平、滿載下俯，其中重心偏移量最大的工況為空載上仰和滿載下俯2個(gè)工況，對(duì)這2種情況進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，計(jì)算其重心偏移量。

2.1 上仰時(shí)重心位置計(jì)算

主機(jī)的上仰極限為9.5°，把回轉(zhuǎn)中心到斗輪方向的距離定位正，把回轉(zhuǎn)中心到配重方向的距離定位負(fù)，以每個(gè)部件的質(zhì)量乘以其重心到回轉(zhuǎn)中心的距離來(lái)計(jì)算各個(gè)部件到回轉(zhuǎn)中心的力矩，所有力矩相加即為整個(gè)部件的合力矩，如公式（1）、公式（2）所示。

∑M上仰（L101×M1+L102×M2+L103×M3+…+L122×M22）×g=（40.828×2003+39.363×13071+38.177×1200+（-7.401×8960））×10=-4153.38kN?M （1）

∑G上仰總重=（M1+M2+…+M2）×g=（2003+13071+…+8960）×10=2241.02kN （2）

根據(jù)公式（1）、公式（2）可以計(jì)算整機(jī)重心相對(duì)于回轉(zhuǎn)中心的位置，如公式（3）所示。

L上仰=∑M上仰/∑G上仰總量=-4153.38/2241.02=-1.85 m" （3）

2.2 下俯時(shí)重心位置計(jì)算

計(jì)算下俯時(shí)受力情況，此時(shí)應(yīng)按最惡劣工況考慮，除設(shè)備本身質(zhì)量外，還應(yīng)考慮斗輪的挖掘力、斗輪整體黏料和皮帶機(jī)上物料。

2.2.1 斗輪挖掘力計(jì)算

計(jì)算挖掘力首先要計(jì)算斗輪功率，整機(jī)取料能力Q=1500t/h，物料密度ρ=2.2t/m3，斗數(shù)Z=8，轉(zhuǎn)速n=6.6r/min，斗輪直徑D=5.85m，取料容積能力Qm如公式（4）所示。

Qm=Q/ρ=1500/2.2=681.8 m3/h （4）

P挖掘功率如公式（5）所示。

式中：K為挖掘系數(shù)阻力，礦的K=22.5。

計(jì)算可得，P挖掘功率=45.3kW。

P提升功率如公式（6）所示。

P提升功率=2×Q×g×D/3×3600×η （6）

式中：η為斗輪機(jī)構(gòu)整體效率，η=0.9。

P提升功率=18.1kW，P摩擦功率=0.15×（P挖掘功率+P提升功率）=9.51kW，

P總功率=P挖掘功率+P提升功率+P摩擦功率=72.91kW。

出于安全考慮，取安全系數(shù)1.2，P電機(jī)功率=1.2×P總功率=87.5kW。

電機(jī)選用90kW電機(jī)，斗輪挖掘力功率按電機(jī)額定功率1.3倍計(jì)算，P挖掘力功率如公式（7）所示。

P挖掘力功率=1.3×P電機(jī)實(shí)際功率-P提升功率-P摩擦功率=1.3×90-18.1-

9.5=89.4kW （7）

得到挖掘力矩如公式（8）所示。

M挖掘力矩=9550×P挖掘力功率×η/n=9550×89.4×0.9/6.6=77615 N·m

挖掘力與挖掘力矩時(shí)間的關(guān)系如公式（9）、公式（10）所示。

M挖掘力矩=F挖掘力×D/2 （9）

F挖掘力=2×M挖掘力矩/D=26535 N （10）

2.2.2 物料質(zhì)量計(jì)算

已知取料量為1500t/h，皮帶帶速為2m/s，皮帶總長(zhǎng)為42m，皮帶上運(yùn)量為1500×1000÷3600=416.7kg/s，物料在皮帶上存在時(shí)間為42÷2=21s，皮帶上物料質(zhì)量為416.7×21=8751kg

2.2.3 下俯重心位置計(jì)算

下俯時(shí)合力矩∑M下俯、下俯時(shí)總重量∑G下俯總重、下俯時(shí)重心偏移量L下俯分別如公式（11）～公式（13）所示。

M下俯=（L201×M1+L202×M2+…+L221×M21+L223×M23+L224×M24）×

g+L222×F=（41.038×2003+39.486×13071+…+9.285×1140+39.486×1500+20374×8751）×10+41.069×26335）=4101.596 kN·m

∑G下俯總重=（M1+M2+…+M22+M24+M25）×g+F=2369.865 kN " （12）

L下俯=∑M下俯=/∑G下俯總重=4101.596/2369.865=1.73 m " "（13）

回轉(zhuǎn)支承選用直徑為4m規(guī)格，由于回轉(zhuǎn)半徑為2m，大于2個(gè)最差工況下重心所偏離回轉(zhuǎn)中心（回轉(zhuǎn)中心即為回轉(zhuǎn)支撐中心）1.85m和1.73m（為防止設(shè)備傾翻，需要保證重心位置在回轉(zhuǎn)直徑內(nèi)部），因此通過(guò)驗(yàn)證，配重和回轉(zhuǎn)支承選型正確。

2.3 油缸壓力計(jì)算

以選用以下缸徑為例：選用油缸外徑為320mm，內(nèi)徑為200mm，雙缸。

液壓缸單缸無(wú)桿腔面積、液壓缸有桿腔面積分別如公式（14）、公式（15）所示。

S無(wú)桿腔面積=π（D外徑/2）2=80384 mm2 （14）

S有桿腔面積=S無(wú)桿腔面積-π（D內(nèi)徑/2）2=48984 mm2" " （15）

上仰時(shí)，重心在回轉(zhuǎn)中心后方，液壓缸整體受拉力，上仰時(shí)液壓缸合拉力、上仰時(shí)液壓缸壓強(qiáng)分別如公式（16）、公式（17）所示。

F上仰=∑M上仰/L上仰液壓缸力矩=4153.38/3.564=1165.37kN=116.537t （16）

P上仰=（F上仰/2）/S有桿腔面積=11.89 MPa （17）

下俯時(shí)，重心在回轉(zhuǎn)中心前方，液壓缸整體受壓力，下俯時(shí)液壓缸合壓力、下俯時(shí)液壓缸壓強(qiáng)分別如公式（18）、公式（19）所示。

F下俯=∑M下俯/L下俯液壓缸力矩=4101.596/3264=125.662 t （18）

P下俯=（F下俯/2）/S無(wú)桿腔面積=7.8 MPa （19）

液壓缸系統(tǒng)壓力等級(jí)為6.3MPa、16MPa、25MPa等[3]，根據(jù)計(jì)算，油缸壓力等級(jí)選用16MPa。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從斗輪堆取料機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特性入手，運(yùn)用實(shí)際案例，重點(diǎn)闡述了斗輪堆取料機(jī)的堆取料工藝、斗輪重心計(jì)算以及液壓缸壓力等級(jí)選擇，對(duì)其他斗輪堆取料機(jī)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]邵明亮，于國(guó)飛，耿華，等.斗輪堆取料機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]李樹軍.機(jī)械原理[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2000.

[3]成大千.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第四版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.