臂式斗輪堆取料機回轉機構的設計計算

莊乾霞 李會勛

華電重工股份有限公司

1 引言

臂式斗輪堆取料機作為大型、連續(xù)、高效的散料裝卸機械，被廣泛應用于大型散貨碼頭、鋼鐵、水泥、火力發(fā)電和礦山等企業(yè)的散料輸送系統(tǒng)中，是散料輸送系統(tǒng)的核心。臂式斗輪堆取料機主要由斗輪機構、回轉機構、帶式輸送機、俯仰機構、行走機構、金屬結構、尾車、電氣設備及輔助裝置等組成，本文重點介紹其回轉機構的設計計算方法。

2 回轉機構的構成

回轉機構由回轉支承裝置和回轉驅動裝置兩部分組成。

臂式斗輪堆取料機回轉機構的回轉支承裝置形式有回轉大軸承式、圓錐滾輪式、臺車式3種，其中回轉大軸承形式與其他形式相比，有整機設備重心低、裝配簡單、抗傾翻力矩大等優(yōu)點，因此得到廣泛的應用。

臂式斗輪堆取料機回轉機構的驅動形式有4種：①立式電機+制動器+立式圓柱齒輪減速器+外齒嚙合；②臥式電機+限矩聯(lián)軸器+制動器+渦輪減速器+外齒嚙合；③立式或臥式電機+限矩聯(lián)軸器+制動器+立式行星減速器+外齒嚙合；④低速大扭矩液壓馬達+制動器+外齒嚙合。其中行星減速器具有傳動比大、結構緊湊、性價比高等優(yōu)點，是目前回轉驅動裝置首選的傳動方案，其典型布置形式見圖1。

1.變頻電機 2.塊式制動器 3.限矩聯(lián)軸器 4.行星減速機 5.回轉平臺 6.上法蘭 7.回轉大軸承 8.下法蘭 9.回轉小齒輪

3 回轉機構計算

3.1 低速回轉線速度的確定

回轉速度是決定斗輪堆取料機取料能力的重要參數(shù)，回轉速度的選用由設備多個性能參數(shù)綜合考慮。以定點回轉取料方式為例，核算斗輪取料機設備的取料能力計算公式如下：

Q=60δH·CDcos(Φ1)Vmin/1 000

(1)

式中，Q為設備額定取料能力，t/h；δ為物料密度，t/m3；H為一次回轉取料層高，m；CD為行走進尺量，mm；Φ1為低速取料時的回轉角度；Vmin為臂架斗輪處低速回轉線速度，m/min。

從取料能力的公式反算臂架斗輪處低速回轉線速度:

Vmin=1 000Q/(60δH·CDcosΦ1)

(2)

公式中的一次回轉取料層高H和行走進尺量CD可以在設計時適當調整，以達到回轉速度的合理配置；反之通過調整回轉速度也可以相應地調整取料層高和進尺量。取料層高一般不大于斗輪直徑的2/3，進尺量可依據(jù)斗輪容量合理設計，回轉線速度和設備臂長相關聯(lián)，調整3個參數(shù)數(shù)值，以達到合理的設計。

3.2 最大回轉線速度的確定

以定點回轉取料方式為例，斗輪取料時回轉速度隨著回轉角度的變化而變化，斗輪進給取料時物料截面見圖2。

圖2 斗輪進給取料物料截面圖

圖2中陰影部分面積為每次行走進給取料時所取物料的截面投影，隨著回轉角度Φ的變化，斗輪切料寬度不斷變小，為保證取料能力始終恒定，斗輪回轉切料速度需比例增加。依據(jù)理論數(shù)據(jù)，斗輪回轉到不同角度的回轉線速度為初始回轉0°時速度的1/cosΦ倍，當回轉角度達到70°時，斗輪回轉線速度為初始速度的3倍。通?？蓪D2所示的1/4圓弧取料的回轉速度設計為3個等比例速度階段，即低速回轉線速度階段、2倍低速回轉線速度階段和3倍低速回轉線速度階段，那么3倍低速回轉線速度可設定為最大回轉線速度。斗輪處最大回轉線速度依據(jù)設備臂長的變化可在20～45 m/min之間調整，設備臂長過小時不宜采用較大的回轉速度，以免引起設備的不穩(wěn)定，依據(jù)最大回轉線速度也可以確定設備低速回轉時的線速度為7～15 m/min。

3.3 回轉驅動功率的計算

回轉驅動功率由4部分功率計算組成，分別為回轉摩擦功率、回轉風載功率、回轉加速功率和回轉切削功率[2]。

3.3.1 回轉摩擦功率Pm

回轉摩擦功率Pm可由下式計算獲得：

Pm=GμR1n/0.974η

(3)

式中,G為回轉部分的重量，t；μ為回轉摩擦系數(shù)，回轉大軸承一般選用0.01；R1為回轉支承滾道中心半徑，m；n為臂架回轉角速度，r/min；η為驅動部分傳遞效率。

傳遞效率η由4部分組成：①聯(lián)軸器的傳遞效率η1，對于回轉機構常用的摩擦限矩聯(lián)軸器，η1一般為0.98；②減速機的傳遞效率η2，減速機傳遞效率與減速機的級數(shù)有關，級數(shù)越大傳遞效率越低，回轉減速機速比較大，通常為四級，以每級效率0.98計算，η2=0.984；③大齒圈小齒輪嚙合的傳遞效率η3，大小齒輪為圓柱齒輪開式嚙合，傳遞效率約為0.96；④回轉大軸承的傳遞效率η4，η4為0.98。

故傳遞效率為：

η=η1×η2×η3×η4=0.85

(4)

3.3.2 回轉風載功率Pf

回轉風載功率Pf計算公式為：

Pf=Mfp/9 550η

(5)

(6)

式中，Mf為風載力矩，Nm；p為計算風壓，Pa；νS為計算風速，m/s。風載力矩的詳細計算可參照GBT3811標準計算。

3.3.3 回轉加速功率Pj

回轉加速功率Pj計算公式為：

(7)

式中，GD12為回轉部分重量在電機軸上的轉動慣量，kgm2；GD22為驅動旋轉部分在電機軸上的轉動慣量，kgm2；Nm為電機轉速，r/min。

3.3.4 回轉切削功率Pq

回轉切削功率Pq計算公式為：

Pq=Mqn/9 550η

(8)

Mq=FqR2/3

(9)

Fq=9 550×PD/nDr

(10)

式中，nD為斗輪轉速，r/min；r為斗輪半徑，m；PD為斗輪切削功率，kW；Fq為斗輪切削力，N；R2為臂架回轉半徑，m；Mq為斗輪側向切削力對回轉中心的力矩，Nm。

3.4 典型工況回轉驅動功率核算

斗輪堆取料機作業(yè)工況復雜，載荷組合分為一類載荷組合、二類載荷組合、三類載荷組合，每一類載荷組合又分多種工況。一般情況下，只對設備工作和非工作時的幾種典型工況進行計算，這幾種工況具有代表性，可以涵蓋其他工況的風險，選取以下工況對回轉驅動功率進行校核。

(1)無風回轉取料工況下所需功率應小于電機總功率的一半：

P1=Pm+Pq<0.5P

(11)

式中，P1為無風取料回轉驅動功率，kW；P為回轉電機總的驅動功率，kW。

(2)無風回轉加速工況下所需功率應小于電機總功率的一半：

P2=Pm+Pj<0.5P

(12)

式中，P2為無風回轉加速時的回轉驅動功率，kW。

(3)最大工作風速取料工況下回轉驅動允許過載使用，過載系數(shù)為1.5：

P3=Pm+Pf+Pq<1.5P

(13)

式中，P3為最大工作風速取料時的回轉驅動功率，kW。

(4)非工作最大風速回轉工況下回轉驅動允許過載使用，過載系數(shù)為1.5：

P4=Pm+Pj+Pf<1.5P

(14)

式中，P4為非工作最大風速加速時的回轉驅動功率，kW。

一般工作時最大風速選取為20 m/s,非工作風速海邊為55 m/s，回轉功率中的非工作風速一般按30 m/s計算，風速大于30 m/s時回轉驅動停止運行，回轉上部結構應固定于防風架上，保證設備安全。設備設計風速依據(jù)設備不同的地理位置，設備的工作風速和非工作風速有所不同，具體按當?shù)氐淖匀粭l件選用。

4 計算實例驗證

4.1 計算參數(shù)

以華電(印尼)玻雅項目SR1300.1300.40型斗輪堆取料機回轉機構驅動計算為例，該產品回轉機構采用回轉大軸承式支承配合行星減速器驅動裝置方案，計算參數(shù)見表1。

表1 斗輪堆取料機回轉計算參數(shù)

4.2 工作狀態(tài)計算校核

工作時回轉驅動功率計算如下。

(1)回轉摩擦功率Pm=GμR1n1/0.974η=0.89 kW。

(2)回轉風載功率Pf=Mf1n1/9 550η=7.13 kW。

(4)回轉切削功率Pq=Mqn1/9 550η=3.71 kW。其中：Fq=9 550PD/nDr=17 382 N；Mq=FqR2/3=231 760 Nm。

工作時回轉驅動功率校核如下。

(1)無風回轉取料工況：P1=Pm+Pq=0.89+3.71=4.6 kW<0.5P=11 kW，滿足驗證要求。

(2)無風回轉加速工況：P2=Pm+Pj=0.89+1.44=2.33 kW<0.5P=11 kW，滿足驗證要求。

(3)最大工作風速取料工況：P3=Pm+Pf+Pq=0.89+7.13+3.71=11.73 kW<1.5P=33 kW，滿足驗證要求。

4.3 非工作狀態(tài)計算校核

非工作時回轉驅動功率計算如下。

(1)回轉摩擦功率Pm=GμR1n2/0.974η=0.68 kW。

(2)回轉風載功率Pf=Mf2n2/9 550η=12.33 kW。

非工作時回轉驅動功率校核如下。

在非工作時最大風速回轉工況下P4=Pm+Pj+Pf=13.86 kW<1.5P=33 kW,滿足驗證要求。

5 結語

回轉機構是斗輪堆取料機的重要組成部分，總結了回轉驅動計算的主要參數(shù)、回轉驅動功率的組成、回轉機構典型工況的校核方法，并驗證了該計算方法的合理性和可行性，可供設計者參考選用。