一種四連桿柔性斗輪技術(shù)

尹 鋒 代宗霖 易 琳 郝永全

武漢開(kāi)銳海洋起重技術(shù)有限公司

1 引言

斗輪堆取料機(jī)在大中型散貨碼頭被廣泛使用，具有堆料效率高、料種適應(yīng)性好、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。但斗輪堆取料機(jī)懸臂長(zhǎng)，取料時(shí)斗輪機(jī)構(gòu)離地太近時(shí)可能與地面發(fā)生碰撞，會(huì)造成堆場(chǎng)地面被損壞或斗輪機(jī)構(gòu)損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生斗輪堆取料機(jī)側(cè)翻事故[1]。為保證安全，斗輪堆取料機(jī)取料作業(yè)時(shí)與地面會(huì)預(yù)留一定的安全距離，這樣勢(shì)必會(huì)造成底層物料無(wú)法被取走，導(dǎo)致斗輪堆取料機(jī)取料作業(yè)存在殘余物料較多的問(wèn)題。常規(guī)清場(chǎng)作業(yè)多采用裝載機(jī)輔助斗輪機(jī)或自卸車(chē)進(jìn)行清場(chǎng)作業(yè)，效率低、能耗高。

針對(duì)現(xiàn)有斗輪堆取料機(jī)取料時(shí)的不足，提出一種新型四連桿柔性斗輪技術(shù)，采用雙作用耦合器以實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)構(gòu)的柔性取料。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法優(yōu)化分析，得到斗輪在觸地時(shí)的對(duì)地壓力，并在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證其效果。

2 四連桿柔性斗輪技術(shù)

2.1 四連桿柔性斗輪工作機(jī)理

四連桿柔性斗輪由料斗裝置、伸縮裝置、斗輪體和兩片連接板組成，其中料斗裝置、連接板和斗輪體通過(guò)鉸點(diǎn)首尾連接構(gòu)成四連桿結(jié)構(gòu)，伸縮裝置一端與斗輪體鉸接，一端與兩片連接板鉸接點(diǎn)同軸鉸接(見(jiàn)圖1)。四連桿結(jié)構(gòu)依靠伸縮裝置提供的主動(dòng)力實(shí)現(xiàn)料斗正常取料和觸碰地面時(shí)的柔性回縮。料斗在使用過(guò)程中處于張開(kāi)狀態(tài)，只在觸碰地面時(shí)柔性回縮。

1.料斗裝置 2.柔性伸縮裝置 3.斗輪體 4.連接板

2.2 四連桿柔性斗輪技術(shù)性能分析

2.2.1 取料效率分析

斗輪堆取料機(jī)的料斗形狀呈現(xiàn)前大后小的喇叭口狀，料斗刃口處張開(kāi)，側(cè)壁收縮(見(jiàn)圖2)。四連桿柔性斗輪的伸縮裝置布置在料斗側(cè)面自然收縮形成的空隙處，對(duì)料斗的斗容和斗口尺寸的影響微乎其微，因此在取料效率上與剛性料斗一致[2-3]。

圖2 四連桿柔性斗輪伸縮裝置安裝示意圖

2.2.2 耐磨性能分析

四連桿柔性斗輪依靠四連桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)將伸縮裝置行程縮小，并布置在料斗斗口的后方位置，料斗在取料過(guò)程中，伸縮裝置位于料斗刃口切割、挖取物料后形成的空腔中，其受到的物料沖刷主要來(lái)自于坍塌的松散物料，從而減小伸縮裝置的磨損程度。

2.2.3 料斗貼地取料時(shí)的動(dòng)態(tài)效果分析

斗輪機(jī)在常規(guī)取料過(guò)程中，柔性斗輪在伸縮裝置和挖掘力的作用下，料斗呈現(xiàn)剛性狀態(tài)，其取料效果等同于常規(guī)剛性斗輪。在對(duì)底層物料進(jìn)行取料過(guò)程中，柔性斗輪可以允許調(diào)低斗輪臂架的下限位，使斗輪可以貼地取料。當(dāng)遇到地面起伏或者臂架的抖動(dòng)導(dǎo)致斗輪取料機(jī)與地面的距離減小時(shí)，料斗柔性回縮，自適應(yīng)地面，料斗與地面之間的壓力保持在一定范圍內(nèi)，表現(xiàn)為柔性接觸，不會(huì)導(dǎo)致堆場(chǎng)地面或者斗輪自身?yè)p壞。由于斗輪的取料動(dòng)作為回轉(zhuǎn)動(dòng)作，對(duì)于某一高度的堆場(chǎng)地面，料斗碰到地面后觸發(fā)柔性回縮，并隨著斗輪的回轉(zhuǎn)，其柔性回縮行程不斷增大，直至料斗回轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)達(dá)到最大回縮量。之后料斗進(jìn)入上升段，料斗隨著斗輪的回轉(zhuǎn)動(dòng)作而展開(kāi)，并在離開(kāi)地面時(shí)候重新轉(zhuǎn)換為剛性狀態(tài)。

建立柔性斗輪對(duì)地壓力N關(guān)于斗輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度α的函數(shù)關(guān)系如下：

(1)

式中，G為料斗自重；e為料斗重心與料斗尾部鉸點(diǎn)距離；θG為料斗重心鉸點(diǎn)連線與豎直方向的夾角；a為料斗長(zhǎng)度；θN為料斗鉸點(diǎn)斗齒連線與豎直方向的夾角；α為斗輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度；φ為料斗繞尾部鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，是關(guān)于α的幾何關(guān)系函數(shù)，φ=f(α)；μ為料斗與地面接觸時(shí)的摩擦系數(shù)；W為伸縮裝置對(duì)料斗的力矩，是關(guān)于α的幾何關(guān)系函數(shù)，W=g(α)。

四連桿柔性斗輪在料斗接觸地面后的柔性回縮的過(guò)程中，料斗對(duì)地面的壓力均為變化的，其變化特點(diǎn)為：對(duì)地壓力隨斗輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而減小(見(jiàn)圖3)。

圖3 四連桿柔性斗輪貼地取料時(shí)對(duì)地壓力曲線

圖3曲線圖中，起點(diǎn)為料斗剛接觸地面位置，終點(diǎn)為料斗達(dá)到最大回縮行程位置。

從上述的壓力-角度變化曲線可以看出：四連桿柔性斗輪從料斗接觸地面至達(dá)到最大回縮量的過(guò)程中，對(duì)地壓力急劇降低，之后對(duì)地壓力維持在一個(gè)較低的狀態(tài)內(nèi)緩慢變化，整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)出彈性解鎖的特點(diǎn)，即料斗觸碰地面后立即觸發(fā)剛?cè)狁詈系膭傂越怦钚Ч?，從而保護(hù)地面和料斗。

2.3 實(shí)際應(yīng)用效果

柔性斗輪的核心能力在于清場(chǎng)作業(yè)時(shí)，料斗的近似貼地取料可以極大地降低散貨堆場(chǎng)的剩余清場(chǎng)量，從而提高散貨堆場(chǎng)總的取料效率，降低能耗。經(jīng)過(guò)柔性斗輪清場(chǎng)取料后，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，剩余清場(chǎng)物料層厚度約為50 mm，相比于原剛性斗輪減少了90%的剩余清場(chǎng)量。

3 結(jié)語(yǔ)

四連桿柔性斗輪作為一種新型散料堆取料裝置，可解決傳統(tǒng)剛性斗輪無(wú)法貼地取料而殘余一定高度物料的難題，取料的同時(shí)兼?zhèn)淝鍒?chǎng)功能。在料斗與地面碰撞時(shí)，能夠有效地保護(hù)設(shè)備及堆場(chǎng)地面，且伸縮裝置的磨損小，可延長(zhǎng)設(shè)備維護(hù)周期。