臂式斗輪堆取料機(jī)液壓俯仰能力提升

王 強(qiáng)

（揚(yáng)州泰富特種材料有限公司，江蘇揚(yáng)州 225200）

0 引言

斗輪堆取料機(jī)作為重要的現(xiàn)代化裝卸和輸送設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于港口、電廠、冶金企業(yè)等大型散狀物料原料存儲場[1]。斗輪堆取料機(jī)與料場地面膠帶輸送機(jī)組成機(jī)械化連續(xù)、高效的物料輸送系統(tǒng)，使料場物料的堆取料作業(yè)更加機(jī)械化、自動化。

1 堆取料機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文研究的DQLZ3000/4500 41.5 型臂式斗輪堆取料機(jī)主體機(jī)構(gòu)（圖1）：主體上部機(jī)構(gòu)采用三角結(jié)構(gòu)平衡、雙油缸液壓俯仰式臂架，回轉(zhuǎn)平臺及門座主體為環(huán)行結(jié)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)與門座布置為四腿三支承型式?；剞D(zhuǎn)上部偏心設(shè)計為基本對稱于回轉(zhuǎn)中心，回轉(zhuǎn)平臺上沒有固定配重。

圖1 DQLZ3000/4500·41.5 型臂式斗輪堆取料機(jī)主體機(jī)構(gòu)

2 俯仰系統(tǒng)參數(shù)與原理

2.1 俯仰系統(tǒng)參數(shù)

俯仰系統(tǒng)參數(shù)：俯仰油缸為UY120IR250/160-1 型；仰俯機(jī)構(gòu)型式為液壓雙油缸；驅(qū)動裝置型式為雙作用油缸；液壓系統(tǒng)工作壓力小于18.5 MPa；液壓系統(tǒng)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(jī)功率30 kW。

2.2 俯仰機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理

本機(jī)采用了整體俯仰形式，即臂架上下俯仰與上部結(jié)構(gòu)件一起聯(lián)動，驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，主要由液壓站（包括電機(jī)、油泵、電液換向閥、油箱等）、配管及液壓油缸組成。液壓驅(qū)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(dāng)需要挖取不同的物料層或堆高物料時，通過司機(jī)室發(fā)出指令，啟動電機(jī)、油泵、控制換向閥，向油缸供油使油缸伸縮從而實(shí)現(xiàn)斗輪和斗輪臂的俯仰。

本機(jī)構(gòu)的傳動形式為：電機(jī)→液壓工作站→油缸。油缸伸縮速度可調(diào)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(shè)有兩級限位保護(hù)，確保臂架的安全。

同時，該液壓系統(tǒng)設(shè)有閉鎖設(shè)施，在油缸非工作期間內(nèi)油缸每24 h 伸縮變化小于5 mm。俯仰時工作平穩(wěn)、可靠，可防止斗輪臂失穩(wěn)。對整個系統(tǒng)和元件進(jìn)行了1.25 倍設(shè)計壓力的耐壓試驗(yàn)，無漏油現(xiàn)象，有效防止內(nèi)漏造成的斗輪臂下降，避免影響堆、取料作業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 問題分析

3.1 現(xiàn)狀分析

經(jīng)過10 年生產(chǎn)作業(yè)使用，此堆取料機(jī)整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以下問題：雨季、潮濕天氣狀況下，礦粉粘結(jié)成塊附著在堆取料機(jī)取料斗、斗輪體、前臂皮帶機(jī)支架等部位，增加了前臂架的重量，導(dǎo)致取料機(jī)的俯仰油缸承受超額負(fù)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(jī)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(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)要求定期對堆取料機(jī)進(jìn)行積料沖洗、清理，但又產(chǎn)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(biāo)的要求。

3.2 影響因素及調(diào)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(chǔ)出現(xiàn)自然沉降，但因追求礦粉物料的堆存能力最大化，堆取料機(jī)取料時降低了斗輪體的下降限位，由原設(shè)計地面20 cm（軌下0.5 m）調(diào)整至0 點(diǎn)位，使原油缸的起始點(diǎn)前移，造成了油缸啟動時內(nèi)部油液運(yùn)行對自由桿頂升推力不足。

3.2.2 配重平衡因素

堆取料機(jī)上部機(jī)構(gòu)配重架已安裝108 t 配重，配重架卡槽中間調(diào)整配重塊重量在3 t 左右。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際使用狀態(tài)，已出現(xiàn)堆取料機(jī)上部機(jī)構(gòu)前后平衡點(diǎn)改變，原配重已經(jīng)失衡。

增加配重的方式進(jìn)行調(diào)整平衡：在整個上部機(jī)構(gòu)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(diào)節(jié)配重塊2.2 t，俯仰起升效果不明顯。同時考慮到回轉(zhuǎn)平臺內(nèi)部回轉(zhuǎn)支撐的正壓整體受力，不再繼續(xù)增加配重來調(diào)整整機(jī)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(xiàn)象，壓力測試穩(wěn)定。拆解檢查油缸內(nèi)壁磨損、密封圈變形等情況，也未發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的因素

液壓系統(tǒng)的壓力有恒壓變量泵建立的液壓力實(shí)現(xiàn)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(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)平衡閥至系統(tǒng)壓力最大值28 MPa，俯仰起升效果改善不明顯[2]。

4 堆取料機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)受力檢測

4.1 系統(tǒng)測試

測試過程：

（1）使堆取料機(jī)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(wěn)態(tài)油壓。

（4）通過油壓計算出油缸處的推力N2，再根據(jù)圖紙上相關(guān)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(shù)據(jù)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(shù)量，本機(jī)油缸數(shù)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(jī)的油缸受力N2（表1）。

表1 油缸壓力測試 MPa

由以上關(guān)系推算出對應(yīng)堆取料機(jī)平均接地力為18.5 t。

4.3 承載分析

通過測試發(fā)現(xiàn)接地力明顯過大，將導(dǎo)致工作停機(jī)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(tǒng)油缸工作壓力。也可通過調(diào)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）。

評價對學(xué)生的學(xué)習(xí)有著一定的導(dǎo)向作用，因此教師在進(jìn)行評價時，當(dāng)柱與多元化的評價方式，使評價能夠促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

圖2 堆取料機(jī)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(guān)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(tǒng)提升方案

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

5.1 技術(shù)參數(shù)確定

根據(jù)原油缸及增加的配重計算，單個油缸受力約150 t。系統(tǒng)額定壓力為25 MPa，實(shí)際使用壓力為22 MPa。具體參數(shù)調(diào)整后如下：

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

（2）系統(tǒng)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(chǔ)上增加約800 kg。

5.2 油缸設(shè)計

5.2.1 缸徑的選擇

5.2.2 桿徑的選擇根據(jù)設(shè)計手冊和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(huán)境使用效果很好。

5.2.4 支承導(dǎo)向的選擇

考慮俯仰油缸傾斜安裝，側(cè)向力比較大，所以桿端采用自潤滑軸承作為導(dǎo)向，自潤滑軸承具有摩擦因數(shù)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(dǎo)向性能，油缸內(nèi)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(wěn)定性。

綜上所得，現(xiàn)將原UY120IR250/160-1700 型俯仰油缸的缸徑加大至300 mm，調(diào)整為UY120IR300/200-1700 型，其技術(shù)參數(shù)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(shè)計

5.3 液壓俯仰機(jī)構(gòu)安裝測試

（1）液壓系統(tǒng)通電，油路自循環(huán)檢查及各閥塊連接檢查。

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

（3）俯仰運(yùn)行測試，檢驗(yàn)有無干涉部位，修正處理。

依據(jù)設(shè)計將臂架俯仰到最高點(diǎn)（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(zhǔn)各10 次，調(diào)準(zhǔn)俯仰限位開關(guān)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(guān)停止動作，同時調(diào)整電磁溢流閥的調(diào)壓螺釘，將壓力表調(diào)至18.5 MPa。

（3）俯下至軌面以下約0.5 m 碰限位開關(guān)停止，當(dāng)上、下位置限位準(zhǔn)確后，試調(diào)單向節(jié)流閥根據(jù)秒表測量在13.5 m 內(nèi)仰起要多少時間，根據(jù)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(diào)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(zhǔn)），慢升、慢下試驗(yàn)4～5 次，一直到調(diào)準(zhǔn)為止。

設(shè)備安裝后在空載狀態(tài)下，吊裝配重時油缸顯示數(shù)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(jié)論

通過將DQLZ3000/4500 41.5 型臂式斗輪堆取料機(jī)的問題分解，結(jié)合受力分析和有效的儀器檢測、核算，新設(shè)計增大型俯仰油缸的方案符合使用要求，同時滿足機(jī)構(gòu)受力要求，經(jīng)過半年跟蹤監(jiān)測，設(shè)備達(dá)到了預(yù)期的使用效果，保證了堆取料機(jī)作業(yè)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。