寶鋼煤場(chǎng)取料機(jī)平衡裝置的結(jié)構(gòu)分析

何海良

(寶鋼股份煉鐵廠，上海 201900)

1 前言

煤場(chǎng)取料機(jī)是根據(jù)用戶需要取出貯存在料場(chǎng)指定地點(diǎn)的原燃料的一種可移動(dòng)機(jī)械設(shè)備。寶鋼一二期煤場(chǎng)三臺(tái)取料機(jī)，系日本三井三池制造，其外型與構(gòu)造如圖1所示。

取料機(jī)由行走、旋回、俯仰及懸臂膠帶輸送機(jī)和采集裝置五大部分組成。行走裝置的行走輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，沿料場(chǎng)平行軌道前進(jìn)或后退;旋回裝置由二個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)星形輪系，使旋回裝置做350°旋轉(zhuǎn)取料;俯仰裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩帶動(dòng)上部平衡裝置使取料發(fā)生高度變化;懸臂膠帶輸送機(jī)將采集裝置取來的物料送至地面膠帶，而采集裝置對(duì)料堆旋轉(zhuǎn)取料。

上述五部分在正常工作時(shí)相互配合，實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)物料的采集與輸送任務(wù)。

圖1 煤場(chǎng)取料機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of reclaimer in coal yard

表1 寶鋼股份煉鐵廠一二期料場(chǎng)取料機(jī)主要規(guī)格表Table 1 Main specifications of reclaimer in coal yard in Iron Making Plant of Baosteel Co．，Ltd

2 取料機(jī)上部平衡裝置

煤場(chǎng)取料機(jī)上部平衡裝置在車體靜止時(shí)起平衡作用，作業(yè)時(shí)因上部機(jī)械旋轉(zhuǎn)與俯仰動(dòng)作配合，整體設(shè)備重心變化，此時(shí)需配重由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整機(jī)平衡。上部平衡裝置對(duì)于取料機(jī)來說十分關(guān)鍵，設(shè)計(jì)合理、配重添加適當(dāng)不但可以調(diào)節(jié)整機(jī)重心，且對(duì)取料作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定也起著重要的作用，平衡裝置如圖2所示。

圖2 平衡桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of balance lever

當(dāng)懸臂仰角變化時(shí)(從－10°～15°)，取料機(jī)平衡體間各參數(shù)(如角度、力臂等)會(huì)發(fā)生變化，以適應(yīng)不同的工作狀態(tài)，同時(shí)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鋼絲繩拉力會(huì)發(fā)生變化，最終會(huì)達(dá)到新的穩(wěn)定平衡。之后，電機(jī)抱閘抱死以免鋼絲繩滑動(dòng)。

本文針對(duì)這些變化，通過幾何方法尋求出各參數(shù)值之間變化關(guān)聯(lián)性，評(píng)估配重配置、各桿件受力，為設(shè)備正常運(yùn)行提供參考。

3 懸臂處于最下方時(shí)的平衡梁結(jié)構(gòu)受力分析

當(dāng)懸臂處于最下方(－10°時(shí))作業(yè)時(shí)，工作負(fù)荷應(yīng)最大(可通過之后的性能核算來證明)，此時(shí)整機(jī)應(yīng)處于平衡狀態(tài)。如圖3所示。上部的平衡機(jī)構(gòu)以o1o2為固定座，以o1為支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整體平衡，對(duì)上部平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析。

施加力有:懸臂重G1，22.46 t;皮帶上料重G2，3.78 t;斗輪重 G3，11.45 t;配重 G4，97 t;鋼絲繩拉力F，待計(jì)算，但最大值不應(yīng)超過電機(jī)最大功率時(shí)的拉力(14 t)。本文是當(dāng)取料機(jī)作業(yè)時(shí)以動(dòng)載系數(shù)為2來計(jì)算，并校驗(yàn)各點(diǎn)受力時(shí)鋼絲繩拉力應(yīng)小于設(shè)計(jì)值，并由此作為本文驗(yàn)算出發(fā)點(diǎn)，并忽略其它部分桿件質(zhì)量(視為二力桿)。

公元前449年頒布的《十二銅表法》標(biāo)志著羅馬平民獲得法律的基本保護(hù)，但依然存在“有產(chǎn)者(adsidui) ”和“無產(chǎn)者(proletarii) ”之分。[注]參見謝邦宇等編：《羅馬法》，北京：群眾出版社，1983年，第364-371頁。這說明當(dāng)時(shí)還有許多人是幾乎沒有地產(chǎn)的“無產(chǎn)者”。然而，無產(chǎn)者在身份上并不是奴隸，而是屬于平民階層，只是地位岌岌可危，隨時(shí)都有可能喪失自由，淪為債奴。

角度有:∠o3o2o4初始角度γ0，∠o3o4o2初始角度γ1，配重三角梁與鋼絲繩角度初始角度γ3。各受力點(diǎn)、方向及力矩如圖3所示。

先以o1為支點(diǎn)，設(shè)作用在懸臂桿組合(懸臂及另外兩桿組合)的順時(shí)針力矩為M1，逆時(shí)針力矩為M2(即桿o3o4上的力與該桿至o1間力臂之積)，則有

圖3 平衡裝置簡(jiǎn)化圖Fig.3 Simplification diagram of balance device

其中，D1=L6×cos(－10°)/2=24.45 m

其中，L1=13.723 m，為o1點(diǎn)至o3o4的力臂長(zhǎng)

平衡時(shí)，有M1=M2，則反算出

再以配重三角梁為研究對(duì)象，以o2為支點(diǎn)，M3為順時(shí)針力矩，M4為逆時(shí)針力矩，則有

其中，l2為o2至o3o4的力臂，L2=5.278 m。

其中，D4=5×cos(β－10)=4.78 m;D5=6.15×sinγ3=6.15×sin40.49=3.99 m;F為單根鋼絲繩拉力(共8根)。

當(dāng)取料機(jī)穩(wěn)定時(shí)，有M3=M4，則可反算出

俯仰動(dòng)作由電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)卷筒來調(diào)節(jié)鋼絲繩長(zhǎng)短來實(shí)現(xiàn)。為確定鋼絲繩輸出時(shí)的最大額定拉力，需對(duì)該部進(jìn)行校核，在動(dòng)載作業(yè)時(shí)鋼絲繩實(shí)際拉力應(yīng)小于額定拉力，俯仰部分參數(shù)見表2。計(jì)算如下:

設(shè)俯仰電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為 M電，共8根鋼絲繩，每根上受力設(shè)為F，附加系數(shù)為1.1。

式中，P為電機(jī)功率，kW;Nn為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

滾筒輸出轉(zhuǎn)矩與鋼絲繩拉力組成的轉(zhuǎn)矩應(yīng)相同，則有

計(jì)算結(jié)果與單根鋼絲繩的推薦額定拉力一致。

當(dāng)懸臂處于最下方作業(yè)時(shí)，單根鋼絲繩受力結(jié)果為11.85×104N，小于額定拉力14×104N，俯仰系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

表2 俯仰裝置部分設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Partial design parameters of pitching device

4 俯仰高度變化時(shí)平衡機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)過程

如圖4所示，該平衡機(jī)構(gòu)懸臂角度發(fā)生變化，虛線為變化后的位置，實(shí)線為懸臂梁處于最低位置即－10°。虛線為當(dāng)懸臂提升θ角時(shí)，平衡裝置中各桿件新的位置。圖中各符號(hào)及意義見表3。

圖4 平衡機(jī)構(gòu)各桿件角度變化示意圖Fig.4 Vangle variation of each rod for balance mechanism

當(dāng)懸臂仰角變化時(shí)(從－10°～15°)，上述部分參數(shù)會(huì)變化，懸臂產(chǎn)生的順時(shí)針力矩改變，配重與鋼絲繩拉力產(chǎn)生的力矩也相應(yīng)變化，以實(shí)現(xiàn)整體平衡。

設(shè)取料懸臂與水平夾角為 θ(－10°～15°)，據(jù)幾何關(guān)系，上述角度的變化與水平夾角θ之間的關(guān)系如表4。

表3 符號(hào)意義Table 3 The meaning of symbols

表4 部分角度變化與水平夾角θ之間的關(guān)系Table 4 Partial angles versus horizontal included angle θ

表5為θ變化時(shí)，力臂長(zhǎng)、部分弦長(zhǎng)及上述 角度的變化值。

表5 水平夾角θ變化時(shí)對(duì)應(yīng)角度等參數(shù)的實(shí)際值Table 5 Actual values of angle and other parameters corresponding to variation of horizontal included angle θ

13 92.61 88.12 83.62 79.10 73.38 67.54 γ2/(°) 36.28 30.98 25.92 21.05 16.32 11.69 7.13 2.61 －1.88 －6.38 －10.90－16.62－22.46 L2/m 16.00 15.60 15.18 14.75 14.30 13.83 13.34 12.84 12.31 11.76 11.19 10.45 9.67 γ3/(°) 40.49 44.42 48.29 52.16 56.05 60.01 64.07 68.26 72.63 77.22 82.10 88.74 96.16拉力桿臂長(zhǎng)/m 4.84 5.15 5.40 5.60 5.76 5.88 5.95 5.99 6.00 5.96 5.89 5.75 5.55配重臂長(zhǎng)/m 4.78 5.88 5.96 6.00 5.98 5.92 5.81 5.65 5.45 5.19 4.88 4.43 3.88鋼絲繩臂長(zhǎng)/m 3.99 4.30 4.59 4.85 5.10 5.32 5.53 5.71 5.87 6.00 6.09 6.15 6.12 K 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 T2/104N 174.03 170.12 166.42 162.90 159.54 156.33 153.24 150.27 147.40 144.61 141.90 138.61 135.41 F總/104N 94.82 70.95 69.65 68.04 66.32 64.63 63.07 61.70 60.60 59.84 59.49 59.79 61.22 F/104N 11.85 8.87 8.71 8.50 8.29 8.08 7.88 7.71 7.58 7.48 7.44 7.47 7.65 γ1/(°) 126.28 120.98 115.92 111.05 106.32 101.69 97.

由表5可知，隨著取料懸臂角度θ的變大，拉桿力臂長(zhǎng)先大后小(在大水平位置時(shí)最大)，配重臂長(zhǎng)變化與此類似，而鋼絲繩拉力臂長(zhǎng)度逐漸變大，拉力由大變小。因此，當(dāng)懸臂角度為－10°時(shí)，單根鋼絲強(qiáng)拉力最大，為118.5 kN。

因此，在取料機(jī)作業(yè)過程中，鋼絲繩的拉力構(gòu)成的力矩能夠使上部平衡機(jī)構(gòu)始終處于平衡狀態(tài)。

5 結(jié)束語

原料堆場(chǎng)的取料機(jī)平衡機(jī)構(gòu)形式有多種，如三井三池利用俯仰用電機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼絲卷筒，奧鋼聯(lián)則用液壓方式實(shí)現(xiàn)懸臂提升，各具特點(diǎn)。

寶鋼的料場(chǎng)堆取料機(jī)中這二種形式都有使用，一二期以三井三池為主，三期則以奧鋼聯(lián)的形式為主。因在設(shè)備維護(hù)中平衡系統(tǒng)都出現(xiàn)過故障，影響了生產(chǎn)的穩(wěn)定。

本文對(duì)上部平衡機(jī)構(gòu)的機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行了校核，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備維護(hù)與改進(jìn)有著現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)配重量的增減、俯仰電機(jī)保護(hù)設(shè)置等都有借鑒意義。

［1］ 馬九榮．現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．