一種適用于皮帶機的沿線清料設備設計

譚康超 陳康金 周仲元

寶鋼湛江鋼鐵有限公司

1 引言

皮帶機是冶金行業中輸送物料的最常用設備，其在輸送物料的過程中不可避免地存在回程皮帶灑料的問題。經過調研發現，灑料問題不僅僅制約卸船作業時間和卸船成本的控制，還關系到清礦工人的身體健康。在工業4.0智慧制造的大背景下，用機器替代人工清礦，是大勢所趨。

2 現有技術及其局限性

目前，解決灑料問題一般有以下幾種方法。

皮帶安裝1級、2級清掃器。在皮帶機頭部安裝1級、2級清掃器是必要的，但對于輸送流量大、未經初加工、含水量高的鐵礦石原料，通過清掃器解決灑料問題效果不理想。有統計數據顯示，卸載一艘25～30萬t鐵礦石的船，一條皮帶機的底盤處灑料量可達8～10 t之多，清料往往需要安排3～5個人清理落礦6～8 h。

回程皮帶安裝高壓沖水裝置，通過高壓水的沖擊達到去除皮帶工作面上粘料的目的。目前該技術在國內用的比較少，并未大規模的推廣應用。根據該技術的工作理論，其也存在以下幾個方面的弊端：一是需要配備比較大的沉淀池，增加了場地；二是高壓水沖擊過的皮帶易發生打滑、皮帶機跑偏故障等。

通過人工鏟除皮帶機底部的灑料、積料。人工清料優點是人體動作靈活，可以適應清理現場各種凌亂不規則的灑料。但是，人工清料消耗體力大、工作效率低、工作環境粉塵多，不利于工人的身體健康。

借助小型推扒機、鏟斗車等機械工具清理歸堆的積料，而該設備只適合場地空曠場所。

雖然解決灑料問題的辦法和工具很多，但都有一定的局限性和弊端。因此，研究一種機械化、自動化和智能化程度比較高的清理灑料設備是技術發展的趨勢。

3 方案設計及清料裝置模型

清料主要包含2個動作：①把皮帶機丟下的物料清料到皮帶機通廊上；②把物料清理到皮帶機上，由皮帶機運送到指定的料場。該清料設備只研究如何把物料從皮帶通廊邊上抓取并卸到皮帶上，而將皮帶機底下的物料清理到通廊上則由另外的一套設備完成。

該清料設備的機械結構主要由大車前后行走機構、小車左右移動機構、抓斗升降機構、抓斗、液壓系統、行車軌道等六大部分組成(見圖1)。清料裝置應用于皮帶沿線的場景示意圖見圖2。

1.整機箱梁機構 2.行走小車 3.液壓站 4.小車驅動輪組件 5.小車軌道 6.抓斗伸縮機構 7.抓斗 8.從動車輪組 9.主動車輪組圖1 清料裝置整機圖

1.清料設備整機 2.行車導軌機構 3.皮帶機設備圖2 裝置應用于皮帶機沿線場景

該整機設計部分包括大車行走的龍門架機構、左右行走軌道機構、左右行走拖動機構、抓斗升降控制機構以及抓斗開閉控制機構等，還需進行液壓控制系統的設計，控制清料裝置抓斗的升降運動以及抓斗的開閉運動。其中升降運動機構由3套同步液壓控制的液壓油缸實現，抓斗的開閉由1套液壓油缸控制(見圖3)。

1.承重箱梁 2.行走車輪 3.行車導軌機構 4.伸縮桿 5.抓斗圖3 抓斗及伸縮機構

4 清料設備的工作原理

該清料裝置靠大車的前后移動、小車的左右移動、升降機構帶動抓斗的上下運動和抓斗的開閉運動等一系列的動作組合而達到取料、卸料的目的。

大車前后行走機構確保設備能夠到達皮帶機沿線的灑料歸積點。大車的行走靠自帶剎車系統的三合一減速電機進行驅動，當大車行走到指定的作業點，停止驅動電機后，電機的剎車系統自動抱緊，從而達到剎車的目的。此外，大車的從動輪出還安裝了一套防翹腿機構，以防止整機的傾倒以及翹腿等問題出現，屬于整機的安全防護機構。

圖4 液壓系統設計原理圖

小車左右移動機構主要由小車行走軌道、小車驅動鏈輪組件、三合一驅動減速電機以及升降機構承載框架等部分組成。小車左右移動機構主要滿足清料設備能夠完成清料作業的往復運動和作業的連續循環，從采料的起始點到達卸料的末點，又從卸料的末點回到采料的起點。這里的起始點和末點分別指皮帶機的兩側灑料堆積點和皮帶機的輸送帶工作面。

抓斗升降機構是實現清料動作的關鍵動作環節，該機構的運動動作主要通過液壓系統的液壓缸的伸縮來實現，由3套同步運動的液壓缸驅動升降架的伸縮從而實現機構的升降，即從皮帶機兩側的通廊處抓料升高到比皮帶機上托輥更高的高度。

5 液壓系統的設計

液壓系統是實現清料動作的關鍵部分，液壓系統的設計圖見圖4。該液壓系統由2部分組成，包括抓斗升降運動部分和抓斗開閉部分。抓斗的升降由3個同步伸縮控制的油缸27實現，而抓斗的開閉由油缸28控制實現，這2個油缸的控制速度快慢可以通過疊加式AB口單向調速閥22進行調節。2個油缸的電氣控制邏輯見圖5，兩部分油缸的伸縮動作必須在YV1和M1都得電后才能實現。當YV3得電時，3個抓斗升降控制油缸同時執行伸出的動作；當YV2得電后，電磁閥25.1執行切換動作，油缸27執行縮回指令，油缸縮回。同理，抓斗的開閉動作由電磁換向閥25.2控制。當YV4得電，抓斗閉合，抓斗執行取料動作指令；當YV5得電，抓斗打開，抓斗執行卸料指令。

圖5 電氣控制邏輯圖

6 升降機構銷軸設計驗算

為便于對銷軸的受力進行分析，需對升降機構的模型進行簡化，液壓缸處于伸長量最大時銷軸的受力最大，簡化模型見圖6，在該模型下驗算銷軸的合成應力是否小于材料的許用應力[1-3]。

圖6 銷軸受力分析簡化模型

6.1 液壓缸最大推力計算

已知物料的密度ρ=900 kg/m3，抓斗的抓料體積V=0.13 m3，重力加速度g=9.8 N/kg。物料的重力為：

G1=mg=Vρg=0.13×900×9.8=1 146.6 N

(1)

抓斗的重力為：

G2=mg=115×9.8=1 127 N

(2)

可得抓斗的本體重力和物料的重力之和：

G=G1+G2=1 146+1 127=2 273 N

(3)

由圖6，根據平面任意力系的平衡條件得：

ΣM0(F)=GL1sinα-F3L2sinβ=0

(4)

式中，L1為700 mm；L2為123 mm；α=10°；β=56°。

根據以上的公式可以算出液壓缸的最大負載推力F3為：

F3=L1Gsinα/L2sinβ=2 709.62 N

(5)

6.2 軸的應力校核

軸的最大彎曲應力計算公式為：

(6)

式中，σmax為銷軸的最大彎曲正應力；Mmax為銷軸最大彎矩；L為兩臂板中心距離，L=450 mm；W為銷軸所受最大彎矩值截面的抗彎截面系數。

(7)

由公式(6)和(7)可得彎曲應力公式為：

(8)

軸的剪應力計算公式為：

(9)

式中，τ為軸的剪切正應力；d為軸的直徑。

可得軸的合成應力為：

(10)

式中，[б]為銷軸材料的許用正應力，45#鋼的許用正應力[б]=244 MPa。由以上式(8)、(9)代入式(10)可以得出：

2.2 增設實踐環節 實踐是檢驗真理的唯一標準，更是掌握理論知識的最有效手段。資源昆蟲學具有很強的技術性和實用性，僅通過理論學習或者重理論、輕實踐的培養模式無法培養出卓越人才。因此，在課堂講授過程中，鼓勵學生課后多動手、多觀察，提高學生理論聯系實際的能力，增強學生的實踐技能。例如，給學生分發黃粉蟲，讓學生在實驗室或宿舍內人工飼養，通過每天的觀察記錄，使學生掌握黃粉蟲的飼養技術及生物學特性。

(11)

設計軸徑d=30 mm，工作壓力P=F3=2 709≈2 710 N；L=450 mm。由以上計算公式算得出σ=117.1 MPa<[б]=244 MPa，因此，選用軸徑為30 mm，可滿足本設計的使用要求。

7 液壓系統選型計算

7.1 液壓缸額定壓力選擇

液壓缸的工作負載為2.71 kN,取安全系數n=3，工作負載即為Fs=2.71×3=8.13 kN。

由表1可查得液壓缸的工作壓力應在1.5～2.0 MPa的范圍內。液壓缸的額定壓力是指液壓缸工作時允許的最大壓力。按照表2國標GB2346-93所規定的系列選用，并應大于表1所確定的值，即Pn>P,即可確定油缸的額定壓力為2.5 MPa[4-5]。

7.2 液壓缸內徑計算

由工作壓力和負載即可算出液壓缸的內徑，

表1 按負載選擇液壓缸的工作壓力

計算公式為：

(12)

表2 液壓缸額定壓力系列/MPa

將負載Fs=8.13 kN、工作壓力P=2.5 MPa代入上式可得，油缸內徑D為64.6 mm。按表3(GB2348-93)進行圓整后，取D=80 mm。

表3 液壓缸的內徑系列/mm

根據活塞桿的直徑選取規則，當工作壓力小于等于5 MPa時，活塞桿的直徑是油缸內徑的0.3～0.5倍，取0.4，則活塞桿直徑d=0.4×80=32 mm。

7.3 液壓泵工作壓力

已知液壓缸的內徑80 mm,最大工作負載8.13 kN ，計算液壓泵的工作壓力計算公式

(13)

式中，P泵為液壓泵所需要提供的壓力，Pa；K壓為系統中壓力損失系數，取1.3～1.5,這里取1.4；P缸為液壓缸中所需的最大工作壓力，Pa。

液壓缸的工作壓力P缸為:

(14)

(15)

由(13)、(14)、(15)式可得：

(16)

式中，A為油缸的受力面積,m2。

由以上的公式計算得，泵的工作壓力P泵為2.32 MPa。

7.4 液壓泵的流量計算

根據相關理論公式，計算液壓泵的流量[6-7]。液壓缸的設計工作速度v=0.5 m/min。泵的流量公式為：

Q泵=K流NQ缸

(17)

Q缸=vA

(18)

式中，K流為液壓系統的泄露系數，取1.3；N為同步并聯油缸數量，N=3。計算可得液壓缸的流量Q缸=4.19×10-5m3/s，泵的流量Q泵=9.8 L/min。

7.5 電動機的功率計算

由電機的功率計算公式：

(19)

式中，PM為電機所需功率；η為泵的總效率，取0.75。將相關的數據代入，可得電動機的功率PM為0.505 kW。由此，可取電機的功率為0.55 kW。

8 結語

針對皮帶機沿線所存在的灑料問題，設計了一種可減輕工人清料勞動強度的機械化設備，從整機設計的機械設計、液壓系統的設計方案、銷軸應力校驗計算等方面，解決了該清料設備設計中的關鍵性問題，為該課題研究的順利開展提供了可靠的前端設計依據，為行業的技術革新提供了一種可以借鑒的解決方案。