翻車機(jī)回轉(zhuǎn)裝置重心分析與研究

中國(guó)電建集團(tuán)武漢重工裝備有限公司 武漢 430064

0 引言

翻車機(jī)是一種大型高效的機(jī)械化卸車設(shè)備，廣泛用于冶金、火力發(fā)電、化工及港口等工業(yè)部門，主要用于翻卸鐵路敞車所裝載的散裝物料。目前常見的翻車機(jī)結(jié)構(gòu)形式有兩種(見圖1)，一種為轉(zhuǎn)子式翻車機(jī)、一種為側(cè)傾式翻車機(jī)，這兩種翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)時(shí)均沿著其固定軸線旋轉(zhuǎn)。

由于敞車翻卸過程中，隨著物料的卸出，整個(gè)回轉(zhuǎn)裝置的重心不斷發(fā)生變化，故其阻力矩也在不斷改變。

在翻車機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，不論是對(duì)翻車機(jī)整體結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化還是驅(qū)動(dòng)裝置功率的選擇均需要對(duì)翻車機(jī)的重心進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析。文中以轉(zhuǎn)子式翻車機(jī)為例，介紹一種翻車機(jī)回轉(zhuǎn)裝置在工作狀態(tài)下重心的求解方法，此方法也可以應(yīng)用于其他繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的翻車機(jī)重心計(jì)算。

圖1 常見的兩種翻車機(jī)結(jié)構(gòu)形式

1 翻車機(jī)回轉(zhuǎn)裝置組成及結(jié)構(gòu)

翻車機(jī)回轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)包括敞車、驅(qū)動(dòng)齒輪、翻車機(jī)轉(zhuǎn)子、翻車機(jī)回轉(zhuǎn)中心、托輥裝置等組成，如圖2 所示。

圖2 翻車機(jī)回轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)組成

2 敞車翻卸過程分析

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的分析方法，裝滿物料的敞車在翻卸過程中，車廂內(nèi)剩余物料的質(zhì)量計(jì)算公式為：

式中：α 為物料的安息角，mc為翻卸前物料總重，w 為車廂內(nèi)高，h 為車廂內(nèi)高，θ 為翻轉(zhuǎn)角度。

因此，物料在翻卸過程中有以下幾種形態(tài)，如圖3所示。

圖3 敞車翻卸過程中物料的幾種形態(tài)

由重心的計(jì)算公式

得物料翻卸過程中物料的重心變化。文中以某型號(hào)敞車為例，根據(jù)上述原理可得敞車翻卸過程中（翻車機(jī)順時(shí)針翻轉(zhuǎn)），物料的重心變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 敞車翻轉(zhuǎn)時(shí)重心變化規(guī)律

由圖4a 可見物料的重心變化曲線可知，隨著物料的卸出，物料重心從最高點(diǎn)降到最低點(diǎn)，并從物料的幾何重心移動(dòng)到敞車最右側(cè)。從圖4b 可見物料、敞車的整體重心從最高點(diǎn)降到最低點(diǎn)，最低點(diǎn)的位置即為空車廂的重心。

3 翻車機(jī)回轉(zhuǎn)裝置的重心分析

翻車機(jī)轉(zhuǎn)子的重心可以通過建立翻車機(jī)轉(zhuǎn)子的三維模型求得，如圖5 所示。

根據(jù)前述原理可求得不同工況下翻車機(jī)轉(zhuǎn)子連同敞車、物料的重心變化曲線，翻車機(jī)工作時(shí)一般分為下列幾種工況。

圖5 翻車機(jī)轉(zhuǎn)子重心的求解

3.1 無車工況

翻車機(jī)無車工況是翻車機(jī)調(diào)試時(shí)的一種狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子自身重心即為翻車機(jī)回轉(zhuǎn)裝置的重心，其重心與旋轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位置保持不變，重心與旋轉(zhuǎn)中心的距離通過圖5 所示的模型可以求得。

3.2 空車工況

空車工況是翻車機(jī)翻卸物料完成后，回翻至初始位置的常見工作狀態(tài)，這種工況下轉(zhuǎn)子重心與旋轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位置固定不變，如圖6 所示。

圖6 空車狀態(tài)下轉(zhuǎn)子重心變化曲線

3.3 正常翻卸工況

正常翻卸工況時(shí)，其正翻過程翻車機(jī)、物料、敞車整體的重心分布規(guī)律如圖7 所示。

圖7 正常翻卸時(shí)，翻車機(jī)轉(zhuǎn)子重心的變化

圖7a 為在坐標(biāo)系隨著翻車機(jī)轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)時(shí)，翻車機(jī)、物料、敞車整體重心的變化曲線，圖7b 為坐標(biāo)系在地面固定時(shí)，整體重心的變化曲線。從圖7b 可看出在物料沒有卸出(初始階段)及物料完全卸出（翻卸末段）的兩種狀態(tài)下，整體的重心到旋轉(zhuǎn)軸的距離保持不變。

根據(jù)圖7 可以得到翻車機(jī)轉(zhuǎn)子重心的變化規(guī)律，如圖8 所示。圖8a 所示為翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子整體質(zhì)量的變化曲線，圖8b 為轉(zhuǎn)子重心與旋轉(zhuǎn)中心的距離變化，圖8c 為翻車機(jī)轉(zhuǎn)子重心與鉛垂面夾角的變化曲線，圖8d 為翻車機(jī)中心產(chǎn)生的阻力矩的變化曲線。

圖8 翻車機(jī)轉(zhuǎn)子重心產(chǎn)生的阻力矩

由圖8 可見，翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)角度在0°～84°之間，翻車機(jī)轉(zhuǎn)子的重心產(chǎn)生正阻力矩，翻車機(jī)轉(zhuǎn)子能在自重的作用下正向旋轉(zhuǎn)；在84°～165°之間時(shí)，負(fù)載產(chǎn)生負(fù)阻力矩，需要由外部驅(qū)動(dòng)裝置出力來推動(dòng)翻車機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

4 翻車機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)物體的負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般用以下公式計(jì)算

式中：J 為轉(zhuǎn)動(dòng)部分整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Bm為負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)，G 為負(fù)載的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度，TL為任意負(fù)載力矩，對(duì)于翻車機(jī)轉(zhuǎn)子而言，其翻轉(zhuǎn)過程中無扭轉(zhuǎn)彈簧負(fù)載，故上式可簡(jiǎn)寫為

式中：α 為翻車機(jī)轉(zhuǎn)子的角加速度，翻車機(jī)轉(zhuǎn)子在工作過程中的角速度加減速曲線如圖9 所示。

圖9 翻車機(jī)轉(zhuǎn)子的加減速曲線

翻車機(jī)轉(zhuǎn)子在開始階段有一個(gè)勻加速過程，之后保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，翻轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)到150°時(shí)開始勻減速到低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)，在低速狀態(tài)運(yùn)行一定角度之后停止。

根據(jù)圖9 可知翻車機(jī)轉(zhuǎn)子在加減速過程中角加速度，若再求得翻車機(jī)轉(zhuǎn)子在相應(yīng)角度時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即可求得在加減速時(shí)刻的慣性力矩，對(duì)于繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的物體其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的表達(dá)式為

由于翻車機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)由多個(gè)零件組裝成的大型裝配件，并且隨著物料的卸出，整體重心都在不斷變化，若采用等效質(zhì)點(diǎn)的方法計(jì)算整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)與實(shí)際值有較大的出入，但通過觀察翻車機(jī)轉(zhuǎn)子的加減速曲線可以發(fā)現(xiàn)，翻車機(jī)在正翻加速階段，其車廂內(nèi)物料還未開始卸出，故其整體質(zhì)量、形態(tài)均未發(fā)生改變，因此可以通過三維模型直接求得；同理在翻車機(jī)轉(zhuǎn)子減速階段，敞車內(nèi)的物料已完全卸出，轉(zhuǎn)子、敞車整體的質(zhì)量及形態(tài)亦不發(fā)生變化，因而也可通過三維模型直接測(cè)量得出，分別得到圖10所示兩種狀態(tài)下翻車機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖10 翻車機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

通過上述分析，實(shí)際上一個(gè)正常的翻車機(jī)翻轉(zhuǎn)過程中，其負(fù)載阻力矩變化曲線是由圖8d 和圖6d 組成的，在物料的正翻過程中，負(fù)載阻力矩按圖8d 變化。當(dāng)物料翻卸完畢，空車回翻時(shí)，負(fù)載阻力矩按圖6d 變化。通過對(duì)比兩圖可以得到在正翻過程中最大阻力矩為410 kN·m，在回翻過程驅(qū)動(dòng)裝置所要克服的最大阻力矩為366 kN·m。在此基礎(chǔ)上疊加上翻車機(jī)轉(zhuǎn)子加減速的力矩和摩擦阻力矩即可得到翻車機(jī)轉(zhuǎn)子在工作過程中的實(shí)際阻力矩，并可以此作為翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置選型的依據(jù)。

5 結(jié)論

文中給出了一種計(jì)算翻車機(jī)在翻轉(zhuǎn)過程中動(dòng)態(tài)求解轉(zhuǎn)子重心的計(jì)算方法，能夠得到翻車機(jī)各種工況下的重心變化規(guī)律以及由此產(chǎn)生的負(fù)載阻力矩的變化曲線，為翻車機(jī)重心優(yōu)化以及翻車機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的選型提供了理論依據(jù)。