斗輪機俯仰運動受力分析與方案優化

徐永南

摘 要：作為物料輸送裝備，斗輪機在港口、電廠、煤礦、化工等行業運用廣泛，是提高物料輸送效率，節約輸送時間，降低輸送成本的高效運輸裝置，但斗輪機常常在俯仰運動中出現臂架振動，產生原因一般有對受力狀態掌握不清導致選擇不合理配重，以及因系統設計不合理導致使用了不滿足工作條件的液壓元件。本文主要分析斗輪機在空載、取料以及堆料這三種狀態下，俯仰運動下液壓缸的受力情況，并針對斗輪機做俯仰運動時的受力特點探討如何改進液壓系統，解決臂架振動。

關鍵詞：斗輪機；俯仰運動；臂架振動；受力分析

斗輪機是斗輪堆取料機的簡稱，被廣泛應用在建材、煤礦、港口等貨流量較大的場地中，是裝卸物料的大型運輸機器，其主機的俯仰運動是斗輪機的主要工作環節，且能量消耗較大，同時伴隨有臂架的振動問題。為了解決振動問題，提高斗輪機工作壽命，提高裝卸效率，以下將對DQ1250.35整體型斗輪機的俯仰運動在空載、堆料、取料狀態下的液壓缸受力進行分析，找出導致臂架振動的原因，并提出改進措施。

1液壓缸受力狀況

斗輪機俯仰結構主要有液壓變幅和機械變幅兩種方式，目前廣泛使用的是液壓變幅。傳統液壓結構有能源消耗大、油源裝置體積大、對油液敏感等不利因素，而交流變頻技術的發展，產生了直驅式液壓系統，具有對電機控制靈活、液壓機構出力大等優點，與傳統液壓系統相比，節能效果明顯，體積較小，對油污染不敏感，因此常適用于斗輪機。

斗輪機一般有整體和非整體兩種，整體型的俯仰系統一般只設計為液壓缸既受拉力也受壓力；非整體型的主機俯仰系統通常將液壓缸設計為既受拉力又受壓力，或者只受壓力。本文分析的DQ1250.35斗輪機為整體型，整體型俯仰系統中，液壓缸常受到負壓，會出現由受拉到受壓的轉變過程，這種特殊狀況的出現導致若要保證臂架工作時運行平穩，要求液壓缸出油腔具有足夠壓強。

1.1空載時液壓缸受力狀況

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。

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：

2俯仰裝置液壓系統的改進

對斗輪機俯仰運動受力分析可以看到，在某些工作狀態中，液壓缸受到負負載，此時需要選擇使用正確液壓鎖以保證液壓鎖穩定開啟的液壓系統設計，并選擇適合的液壓元件建立穩定的系統背壓，從而保證俯仰運動的平穩運行。

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P1（A2-A1）+F≥A2/A3f。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：Pst≥[PB·A2-PA（A2-A4）]/A3+C。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。

因此若要解決斗輪機俯仰運動的不平穩問題，解決由液壓鎖斷續產生的臂架振動問題將液壓鎖換為外泄式液控單向閥。

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。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。

3結語

經濟的不斷發展使對礦產、建材、等需求量增多，與此同時，一個穩定高效的物料裝卸設備極其必要，斗輪機能夠很好地滿足裝卸需求，但在斗輪機的俯仰運動中常出現液壓缸受力不當，臂架發生振動的問題，本文對斗輪機在空載、堆料、取料狀態下的液壓缸受力狀況作出分析，發現在某些工作狀態中，液壓缸有受到負負載問題的影響，針對此問題，提出了使用外泄式液控單向閥作為液壓鎖的解決措施，和使用單向順序閥建立穩定背壓的解決方案，以此解決臂架振動問題的發生。

參考文獻：

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