斗式提升機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計

（上海大學 機電工程與自動化學院 上海市智能制造及機器人重點實驗室，上海 200072）

0 引言

斗式提升機是一種連續(xù)輸送機械，通常將物料垂直提升，在某些特殊條件下也可傾斜運送。料斗通過尾部自動裝料，在運轉(zhuǎn)過頭部鏈輪后又自行拋料。已在水泥、冶金與食品儲運等行業(yè)獲得了普遍的使用[1]。它是一種將散料垂直輸送的大型復(fù)雜提升設(shè)備，由于客戶需求量大，一直以來都是采用傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式[2]。

燕山大學的王軍等[2]對斗式提升機模塊化快速設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行研究，通過模塊劃分和模塊檢索的方法實現(xiàn)了斗式提升機模塊化產(chǎn)品的成本預(yù)算，從而可以提高中大型復(fù)雜機械的設(shè)計效率。山東農(nóng)業(yè)大學的宿佃斌等[3]對基于SolidWorks的斗式提升機進行優(yōu)化設(shè)計，主要解決了降低斗式提升機在運輸過程中的破碎率的問題。韓彥良[4]基于TRIZ理論創(chuàng)新設(shè)計方法對斗式提升機托架結(jié)構(gòu)等進行優(yōu)化設(shè)計，將之前的鑄造件進行分解，改為組焊件等，結(jié)構(gòu)簡單，進一步提高了效率。武漢輕工大學的彭勇輝[5]對斗式提升機的主參數(shù)快速計算與定制、模塊信息查詢以及對斗式提升機進行再設(shè)計，實現(xiàn)了斗式提升機快速定制設(shè)計，縮短了斗式提升機的設(shè)計周期，滿足了市場快速多變的定制需求。W. McBride·M. Sinnott·P.W. Cleary[6]對斗式提升機頭輪離散部分過渡區(qū)的建模分析，通過機頭部模型的離散元素模擬的結(jié)果，更好地對斗式提升機操作的機械參考頭端處的顆粒的運動分析。Matt D.Sinnott[7]用邊界法（IBM）通過一個耦合的氣體顆粒數(shù)值模型來分析氣體流動時外殼和機筒頭部粒子的軌跡。J.L.Pérez-Aparicio.R. Bravo[8]通過非連續(xù)變形分析（DDA）對斗式提升機的料斗進行了優(yōu)化數(shù)值設(shè)計，最終確定了合適的料斗幾何形狀。

由于斗式提升機本身特殊的條件，其正常工作必須滿足相應(yīng)的條件。它必須正確地選擇結(jié)構(gòu)類型、通過實際工作的需求來設(shè)計合理的運動速度以此來確定最佳形狀畚斗。其畚斗的型號及大小還有卸載方式都需要正確恰當?shù)剡x擇。本文針對以上問題進行主要的畚斗設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并進行整體建模與機頭的粒子仿真。

綜上所述，本文針對目前斗式提升機拋灑物料時的回流現(xiàn)象導(dǎo)致的效率低，耗功率現(xiàn)象進行了畚斗的理論設(shè)計，初步可以實現(xiàn)中高產(chǎn)量的運輸。同時在現(xiàn)有斗式提升機的基礎(chǔ)上進行了結(jié)構(gòu)改進，主要創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)有：頭輪和底輪、機殼、張緊裝置、畚斗等。該設(shè)備能提高輸送效率，減少運輸時間，對輸送行業(yè)有一定的經(jīng)濟效益。

1 斗式提升機概況

1.1 斗式提升機結(jié)構(gòu)分析

由于我國特殊的國情，垂直式的斗式提升機占據(jù)了絕對多數(shù)。在這其中應(yīng)用最廣的有三種類型：TD型帶式、TH型環(huán)鏈式和皿型板鏈式。斗式提升機的分類方式很多，不同的分類標準就有不同的劃分方式。根據(jù)按料斗型式不同來劃分，可分為淺斗式、深斗式、有導(dǎo)向邊斗式。按卸載特性分為離心式、離心-重力式、重力式。離心式卸料主要是帶式的，適用于運送流散性好的粉狀、顆粒狀和小塊狀物料。重力式卸料使用帶擋邊的料斗運送塊狀的、沉重的物料[9]。

斗式提升機是專門用于連續(xù)垂直輸送散料的設(shè)備，由于其具有占地面積小、提升高度高且輸送量大等特點，因而在飼料和糧食等加工廠中廣泛使用[1]。本文對于改進后的斗式提升機利用SolidWorks進行了三維建模，如圖1和圖2所示。斗式提升機主要由驅(qū)動裝置1、牽引部件2、料斗3、殼體4、底輪5、張緊裝置6、拋料口7等部分組成。其中, 張緊裝置、料斗、機殼是關(guān)鍵的設(shè)計部件。

圖1 斗式提升機局部圖

圖2 斗式提升機示意圖

1.2 工作過程分析

斗式提升機的運轉(zhuǎn)工作原理是：物料由提升機底部裝載入料斗，與提升鏈或帶一同運轉(zhuǎn)到頂部，越過頭輪后向下翻轉(zhuǎn)，料斗將其中的物料拋出到相應(yīng)的接收裝置內(nèi)[1]。斗式提升機的工作程序可以簡化為三部分：裝料過程、提升過程和卸料過程。斗式提升機運行一段時間并且接觸下部的糧食后，其帶上的畚斗在轉(zhuǎn)動過程中會順勢挖取部分糧食，然后垂直提升，當達到機頭部分時候，又隨著帶的轉(zhuǎn)動而將糧食拋灑出去，由輸送機輸送至目的地。

在輸送過程中還伴隨著回流現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而降低輸送效率和磨損機殼畚斗并影響其壽命，在實際過程中應(yīng)該盡力減小并克服該現(xiàn)象的發(fā)生。對此，必須對料斗的卸料過程進行探索研究，通過分析模擬，并且做出了相對應(yīng)的機殼形狀，以確定畚斗型號、頭部罩殼的尺寸，其目的是減少提升機在工作中的物資流失，減少運輸時間，提高運輸效率。

2 斗式提升機畚斗的設(shè)計

畚斗是斗式機的承載構(gòu)件，材料有鋼制和塑料,其各有優(yōu)缺點。由于現(xiàn)在塑料畚斗質(zhì)量越來越好，同時也為了減少重量，故本次設(shè)計材料選用塑料畚斗。塑料斗時用尼龍或聚丙烯經(jīng)模壓成型，其特點是重量輕、耐磨、與機殼碰撞時不會產(chǎn)生火花。

離散元素法（DEM）是用于在粒子級對粒狀流進行建模的數(shù)值工具。它作為一種優(yōu)化工具顯示出巨大的潛力，適用于各種處理顆粒物料的行業(yè)。對于不同形狀的畚斗承載相同的物料，用粒子分析軟件進行了模擬拋灑物料的情況。下表是利用EDEM軟件對三種不同畚斗形狀及不同速度進行散粒體分析，如表1所示。有三種形狀不同的畚斗。形狀1是深斗型，其拋灑物料不太理想，有三分之一的物料未能拋灑出去。形狀3的物料拋灑路徑過大，從而繪制機頭的形狀尺寸偏大。形狀2的畚斗效果最佳，可通過表二分析拋料情況。

表1 不同的料斗及線速度

表2 不同的料斗拋料情況

3 斗式提升機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計

3.1 機殼的創(chuàng)新設(shè)計

針對機殼在運輸過程中易磨損的現(xiàn)象，斗式提升本次機殼創(chuàng)新設(shè)計了一種新型機殼，可減少機殼受到糧食在運輸過程中的振動的影響，從而延長使用壽命。機筒常用1～2mm厚的鋼板制成，考慮到此次設(shè)計是中高產(chǎn)量高效率卸凈糧食，故機殼厚度選擇3mm。機筒的四條棱角上配以角鋼，增強其剛度。為了使其機殼便于安裝也易于修理，所以采用一段一段的標準節(jié)組裝而成，每節(jié)長度是2～2.5m，每節(jié)的兩段焊有角鋼。為了保證機筒的密封性能，每段機殼連接是要采用墊片，再使用螺栓將其固定。為了加強機殼的強度并考慮到減輕整體的重量，本次設(shè)計在機殼外圍加入了交叉桁條，同時也可以增強其剛度，如圖3所示。

同時，在機殼的外面設(shè)置了觀察窗和檢修門，便于工作人員時刻觀察物料的承載提升輸送情況。觀察窗設(shè)置在距離地面1.5m高度的位置，便于觀察。同時設(shè)置的檢修門也在距離地面1～2m左右的高度，檢修門寬度達1.4m，便于工作人員更換畚斗和進行檢修，如圖4所示。

圖3 機殼基本單元

圖4 機殼（有觀察窗）

3.2 頭輪和底輪的創(chuàng)新設(shè)計

一般情況下，斗式提升機的頭輪和底輪都用鑄鐵或鑄鋼制成，個別情況下尺寸較大時候也用鋼板焊接而成。由于本次設(shè)計的提升機產(chǎn)量達到中高產(chǎn)量需求，故設(shè)計的頭輪尺寸也比一般的大。在查閱大量相關(guān)文獻和前人設(shè)計之后，決定將底輪制成鼠籠狀，可以防止帶和底輪間夾雜物料，從而防止可能出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，如圖5所示。為了防止帶的跑偏，頭輪與底輪的形狀可以制作成鼓型，一般突起高度為2～4mm。頭輪和底輪的寬度應(yīng)該比帶子寬20～50mm。因為一般情況下斗提機的頭輪是驅(qū)動輪，在其頭輪的圓周上面專門覆蓋一層橡膠材料的作用很大，不僅僅可以防止打滑，而且也增加了頭輪的摩擦系數(shù)和耐損耗能力。

3.3 張緊裝置的設(shè)計

傳統(tǒng)的張緊裝置通常是通過調(diào)節(jié)底輪，通過改變它的上下位置來張緊皮帶。這種張緊裝置改變了底輪的位置，使得挖料系數(shù)會發(fā)生改變，也改變了畚斗每次在挖取糧食的角度，故難以保證其承載能力達到最佳效果。本次設(shè)計的張緊裝置是通過改變部分機殼的伸縮來改變張緊的長度，由伸縮桿改變從而改變張緊力的大小。這種張緊方案在張緊過程中不會使底部盛料畚斗距離糧食的高度及角度發(fā)生變化，故更為有效，如圖6所示。

圖5 底輪

圖6 張緊裝置

4 結(jié)論

通過對畚斗的研究和粒子拋灑仿真，從而確定了最佳形狀的畚斗，優(yōu)化了頭輪罩殼的結(jié)構(gòu)尺寸，糧食回流現(xiàn)象基本消失，從而提高了運輸效率。同時又針對斗式提升機部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行了改進，使得斗式提升機運行平穩(wěn)，并延長了使用壽命，從而可帶來一定的經(jīng)濟效益。