斗輪機俯仰運動受力分析與方案優化

陳亮，鄧兆印

（1.北京特種機械研究所，北京 100143；2.長春發電設備總廠，長春 130000）

0 引言

斗輪堆取料機簡稱斗輪機，它是一種連續、高效的散裝物料裝卸輸送設備，廣泛應用于礦山、港口、鋼廠、電廠、化工、建材等行業［1-2］。

斗輪機俯仰運動過程中時常會出現臂架振動現象，這一方面是因為對受力情況掌握不準確導致配重選擇不合理；另一方面是因為系統設計不合理；選取了不滿足工況的液壓元件。本文對斗輪機俯仰運動液壓缸受力進行了分析，介紹了如何選擇配重，并對液壓元件的選擇提出改進建議。

1 斗輪機俯仰運動受力分析

本文僅對DQ1250.35 整體型斗輪機在空載、取料、堆料三種工況下液壓缸受力情況進行分析。

1.1 空載時液壓缸受力

斗輪機臂架上不同部件的重量及位置見文獻［3］。空載運行時，對斗輪機臂架轉軸產生力矩作用的為部件m1～m16自重以及液壓缸作用力F。設各部件轉動慣量為Ji（i＝1～16），根據剛體定軸轉動定律，臂架上各部件的重力對轉軸的合外力矩與液壓缸作用力F 對臂架轉軸的力矩之和等于臂架對轉軸的轉動慣量與臂架在合外力矩作用下所獲得的角加速度α 的乘積。

圖1 液壓缸受力分析圖

式中：mi為各分載荷質量，t；Lmi為各分載荷重心到轉軸距離，m；F為液壓缸輸出力，N；αmi為載荷重心到轉軸連線與水平線夾角，（°）；γ為液壓缸作用力方向與對轉軸垂直分力之間的夾角，（°）；L2為液壓缸前臂架上的鉸接點到轉軸距離，m。

臂架傾角與液壓缸長度的關系如下：

液壓缸作用力方向與液壓缸對轉軸垂直分力之間的夾角表示如下：

式中，θ為液壓缸與水平線夾角，（°）。

以上各式共同構成空載時液壓缸受力F 與臂架傾角φ 的關系。

1.2 取料時液壓缸受力分析

斗輪機取料時液壓缸的受力計算與空載時的分析類似。不同之處在于計算時增加斗輪內物料重、挖取力、取料時皮帶上物料重、斗輪積料等4 個載荷，計算公式如下：

1.3 堆料時液壓缸受力分析

斗輪機堆料時液壓缸的受力計算與空載時的分析類似。不同之處在于計算時增加斗輪積料和堆料時皮帶上料種兩個載荷，計算公式如下：

斗輪機臂架傾角φ 變化范圍為-11.2°～12.8°，根據以上公式計算可得配重為82 t 時液壓缸（雙缸）受力與臂架傾角φ 的關系，如圖2 所示。

圖2 液壓缸受力與臂架傾角關系

液壓缸受力F 在系統空載運行時出現了正負交界的零點，零點φ＝7.2°，即空載上升傾角越過φ＝7.2°后，液壓缸受力由受壓轉變為受拉，液壓缸受到負負載作用。

2 俯仰裝置液壓系統的改進

通過對斗輪機俯仰運動的受力分析可知，液壓缸在一些工況下將受到負負載，此種情況下液壓系統的設計應正確選擇液壓鎖以確保液壓鎖開啟穩定，并正確選擇液壓元件為系統建立穩定背壓，以確保運動平穩。針對斗輪機俯仰裝置液壓系統原理如圖3 所示，本文提出兩點改進措施。

圖3 俯仰裝置液壓系統原理圖

2.1 液壓鎖的改進

系統中選用內泄式液控單向閥作為液壓鎖。該液壓鎖在液壓缸伸出狀態下的開啟條件為［4］：

式中：P1為無桿腔壓強，Pa；A1為無桿腔作用面積，m2；A2為有桿腔作用面積，m2；F為液壓缸受力，N；A3為控制活塞截面積，m2；f為單向閥開啟壓力，包括彈簧力、摩擦力等，N。

顯然A1＞A2，由液壓鎖開啟條件可知，液壓缸伸出狀態下，若液壓缸受負負載時，液控單向閥無法正常反向開啟。

斗輪機俯仰運動時，液壓缸受負負載時，將會出現斷續的反向導通，進而導致俯仰運動臂架振動現象。

外泄式液控單向閥的開啟條件為：

式中：Pst為先導錐閥開啟需要的油口X 的控制壓力，Pa；PA為油口A 的壓力，Pa；PB為油口B 的壓力，Pa；A2為先導閥錐部截面積，m2；A3為控制活塞截面積，m2；A4為控制活塞桿截面積，m2；C為系數，所選閥C＝0.5 MPa。

由以上分析可知，外泄式液控單向閥的開啟壓力Pst與主油路壓強的比值，主要取決于先導閥錐部截面積A2與控制活塞截面積A3的比值。由于控制活塞截面積A3比先導閥錐部截面積A2大的多，故外泄式液控單向閥在很小的控制油壓下便可以反向導通。

因而選用外泄式液控單向閥作為液壓鎖可使斗輪機俯仰運動平穩可靠，避免因液壓鎖斷續開啟引起的臂架振動問題。

2.2 單向順序閥代替單向節流閥

斗輪機俯仰運動液壓缸受負負載時，液壓缸回油腔需要建立背壓，以維持受力平衡。

由圖4 可知，單向節流閥建立的壓強隨流量變化很大，低速時無法建立有效背壓以平衡負負載。由單向順序閥流量壓強特性曲線可知，其壓強受流量變化很小，可以給液壓缸回油腔建立穩定壓力，保證系統受力平衡，避免因背壓不穩定造成的臂架振動問題。

圖4 流量-壓強特性曲線

3 結語

本文對斗輪機俯仰運動液壓缸受力情況進行了分析，指出液壓缸在某些工況下受到負負載的問題，針對現有液壓系統存在的問題，提出了外泄式液控單向閥代替內泄式液控單向閥作為液壓鎖的方案，以及由單向順序閥代替單向節流閥建立穩定背壓的方案，有效解決了斗輪機臂架振動問題。

［1］邵明亮，于國飛，耿華，等.斗輪堆取料機［M］.北京：化學工業出版社，2007：1-97.

［2］呂明薈，李毅民.斗輪堆取料機的發展趨勢［J］.港口裝卸，2008（2）：6-9.

［3］陳亮.斗輪機主機俯仰直驅式液壓系統靜動特性及控制的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

［4］朱瑞濱，靳軍，王廣懷.液控單向閥與雙向液壓鎖的正確選用［J］.機床與液壓，2001（9）：27－29.