翻斗式混凝土給料機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱星華 唐明金

（中國水電四局（蘭州）機(jī)械裝備有限公司，甘肅蘭州 730000）

1 項(xiàng)目背景

為加快白鶴灘水電站導(dǎo)流洞混凝土澆筑施工進(jìn)度和降低成本，提高布料機(jī)和自卸車的使用效率，降低混凝土澆筑施工成本，受建設(shè)單位委托設(shè)計(jì)研制翻斗式混凝土給料機(jī)。

目前大方量的混凝土主要采用混凝土攪拌運(yùn)輸車配合布料機(jī)供料，受攪拌運(yùn)輸車對混凝土性能的要求和供料速度的限制，布料機(jī)的使用效率未得到充分發(fā)揮，澆筑施工成本較高。混凝土施工采用的布料機(jī)以國外進(jìn)口為主，設(shè)備價(jià)格較高，未充分得到利用，造成資源閑置。與布料機(jī)配套使用的混凝土攪拌運(yùn)輸車，要求混凝土要有較高的級(jí)配和較大坍落度，造成混凝土的原材料成本較高。為降低混凝土澆筑成本，解決不同級(jí)配和坍落度的混凝土均能用給布料機(jī)供料的關(guān)鍵技術(shù)問題，設(shè)計(jì)研發(fā)采用自卸車運(yùn)輸混凝土、可與布料機(jī)配套使用的翻斗式混凝土給料機(jī)。

該給料機(jī)專門用于為伸縮式皮帶輸送機(jī)等物料輸送設(shè)備提供混凝土、沙石料等，授料倉適用于自卸車、鏟車供料。該給料機(jī)的應(yīng)用可以提高布料機(jī)等輸送設(shè)備的利用效率，減少混凝土運(yùn)輸攪拌車的使用數(shù)量，改用自卸車運(yùn)輸混凝土,降低混凝土的級(jí)配和坍落度要求，降低混凝土的原材料成本和澆筑施工成本。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成及功能特點(diǎn)

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成

翻斗式混凝土給料機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)組成

主要由基礎(chǔ)鋼架、翻斗料倉、懸掛式皮帶輸送機(jī)、行走輪裝置、卷揚(yáng)機(jī)、液壓站、電氣控制操作柜及拖桿等組成。

2.2 主要功能特點(diǎn)

（1）料倉采用自提升系統(tǒng)，料倉放下時(shí)靠近地面，料口離地面高約60 cm，任意型號(hào)自卸車均可以自由喂料，通過給料機(jī)自身的一套提升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)料倉翻轉(zhuǎn)卸料。

（2）采用卷揚(yáng)機(jī)和鋼絲繩作為料倉提升的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有維修保養(yǎng)簡單、操作方便的特點(diǎn)，與液壓頂升油缸操作相比，更適用于混凝土裝卸料等具有一定沖擊和環(huán)境條件惡劣的工況。

（3）料倉閘門具有開度調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)卸料速度。

（4）設(shè)置可轉(zhuǎn)向的行走輪裝置，借助裝載機(jī)等其他設(shè)備可方便短距離移動(dòng)，滿足不同倉號(hào)快速布置設(shè)備的需要。

（5）料倉上下極限位置設(shè)置限位開關(guān)，確保料倉翻轉(zhuǎn)安全。

（6）在料倉底部設(shè)置振動(dòng)電機(jī)，對黏度較大、可能出現(xiàn)黏結(jié)的情況用振動(dòng)電機(jī)輔助清理殘留混凝土。

3 產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)

產(chǎn)品優(yōu)化前后的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 產(chǎn)品優(yōu)化前后的主要技術(shù)參數(shù)

4 設(shè)計(jì)原理

該產(chǎn)品的核心設(shè)計(jì)部分為料倉的形狀及其提升執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過卷揚(yáng)機(jī)的操作實(shí)現(xiàn)料倉的翻轉(zhuǎn)提升和下落，每提升一次可完成一倉混凝土的裝卸，且給料速度可通過設(shè)置在料倉上的倉閘門調(diào)節(jié)。懸掛式皮帶機(jī)采用變頻調(diào)速電機(jī)，可根據(jù)混凝土澆筑施工強(qiáng)度的需要調(diào)節(jié)給料速度。該翻斗式混凝土給料機(jī)在支腿上設(shè)置可轉(zhuǎn)向行走輪裝置，需要挪動(dòng)位置時(shí)，通過拖桿借助載重汽車等其他牽引設(shè)備可將給料機(jī)整體移動(dòng)。電氣和液壓系統(tǒng)操作控制統(tǒng)一集成到電控操作柜面板，電氣控制操作有懸掛式皮帶機(jī)的電機(jī)啟動(dòng)、停止、調(diào)速，倉閘門打開和關(guān)閉，內(nèi)置式卷揚(yáng)機(jī)啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，皮帶機(jī)變幅折疊油缸和倉閘門油缸的伸縮。

料倉提升系統(tǒng)原理見圖2所示。

圖2 料倉提升系統(tǒng)原理

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及其解決措施

（1）基礎(chǔ)鋼架的設(shè)計(jì)主要考慮在滿足整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能將卷揚(yáng)機(jī)、滑輪、鋼絲繩以及電控操作臺(tái)和液壓站緊湊、美觀、合理布置。確定設(shè)計(jì)方案時(shí)對各種方案進(jìn)行比對，選定采用內(nèi)置式卷揚(yáng)機(jī)，將卷揚(yáng)機(jī)布置到最底層，滑輪布置到兩側(cè)面，通過滑輪改變鋼絲繩的方向?qū)崿F(xiàn)料倉翻轉(zhuǎn)起落。

（2）料倉的形狀應(yīng)考慮便于自卸車向料倉內(nèi)卸料以及料倉內(nèi)的物料便于往皮帶機(jī)上卸料，在料倉翻轉(zhuǎn)的過程中要保證料倉的穩(wěn)定性和安全性。料倉翻轉(zhuǎn)到最高極限位置時(shí)卸料角度的確定是料倉設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，經(jīng)過多次試驗(yàn)總結(jié)，料倉倉壁卸料角度在60°以上，各種坍落度的混凝土才能順序通過倉閘門落料到皮帶機(jī)上。料倉的出料口需要與皮帶機(jī)相配合，出料口較小，倉閘門為平板閘門，倉壁拐角處容易出現(xiàn)混凝土料聚集現(xiàn)象，在對拐角進(jìn)行圓弧過渡處理后，卸料變得順暢，很少黏結(jié)產(chǎn)生混凝土殘留。將料倉的拐角改為圓弧過渡的設(shè)計(jì)，平板倉閘門改為弧門設(shè)計(jì)。根據(jù)使用方的要求，為提高施工速度，將料倉容積由3 m3改為6 m3。

改進(jìn)后的料倉形狀如圖3所示。

圖3 容積6 m3的料倉

（3）由于料倉在翻轉(zhuǎn)過程中對基礎(chǔ)鋼架空間要求不同，加上皮帶機(jī)為傾斜布置向上輸送物料，將料倉與皮帶機(jī)進(jìn)行合理布置到基礎(chǔ)鋼架上，留出電控操作柜和液壓站的布置空間，經(jīng)過反復(fù)對比分析確定合理的布置方案。

（4）為滿足給料機(jī)短距離行走的需要，最初設(shè)計(jì)采用重型萬向腳輪，給料機(jī)自重大不便于進(jìn)行方向控制，經(jīng)試驗(yàn)后改為拖桿拖動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)向的方式。

（5）由于料倉有4個(gè)截面尺寸不同的截面形狀和1個(gè)與出料口倉閘門相配合的曲面，制作時(shí)需要繪制精確的展開圖，卷制時(shí)采取多次滾壓的方式控制瓦片形狀。繪制展開放樣圖時(shí)采用了Solidworks軟件，保證了放樣圖紙的準(zhǔn)確性。

6 試驗(yàn)情況

（1）在白鶴灘水電站右岸導(dǎo)流洞底板澆筑施工過程中，給料機(jī)結(jié)合布料機(jī)澆筑常態(tài)混凝土生產(chǎn)試驗(yàn)從2013年4～8月共進(jìn)行四次試驗(yàn)。試驗(yàn)情況如表2所示。

表2 給料機(jī)生產(chǎn)試驗(yàn)情況

第四次試驗(yàn)，選用4臺(tái)自卸車（容量15 m3運(yùn)6 m3）水平運(yùn)輸，混凝土坍落度70～90 mm，澆筑方量132 m3，用時(shí)約14 h（含布料機(jī)故障處理及操作人員用餐時(shí)間合計(jì)約3 h），平均入倉強(qiáng)度9.81 m3/h，最大入倉強(qiáng)度14.79 m3/h。

（2）2013年8月25日和26日3 m3給料機(jī)完成右岸導(dǎo)流洞底板連續(xù)兩個(gè)底板倉澆筑，入倉混凝土約270 m3，用時(shí)22 h（含布料機(jī)操作人員用餐和等待自卸車的時(shí)間合計(jì)約2 h），平均入倉強(qiáng)度約12.3 m3/h。

（3）將3 m3給料機(jī)料倉側(cè)面板進(jìn)行加高，其他主要受力部位進(jìn)行加固后，于2013年9月10日采用每次裝入料倉6 m3混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，完成右岸導(dǎo)流洞半幅底板倉澆筑，入倉混凝土約135 m3，用時(shí)約7 h，平均入倉強(qiáng)度約19.3 m3/h。基于此次試驗(yàn)，仍未達(dá)到30 m3/h的要求，為此進(jìn)一步優(yōu)化給料機(jī)設(shè)計(jì)，將料倉容積改為6 m3，出料口相應(yīng)加大，料倉體型也進(jìn)行了優(yōu)化。

（4）優(yōu)化后的6 m3混凝土給料機(jī)在左岸壩尖834 m高程平臺(tái)于2014年4月5日進(jìn)行了首次生產(chǎn)試驗(yàn)，設(shè)備性能穩(wěn)定，滿足各項(xiàng)功能要求。2014年5月22日在右岸上紅巖排導(dǎo)渠進(jìn)行試驗(yàn)，共入倉澆筑144 m3，給料機(jī)連續(xù)運(yùn)行約4.5 h，平均入倉強(qiáng)度30～36 m3/h，澆筑速度達(dá)到預(yù)期要求，超過采用混凝土運(yùn)輸攪拌車配合布料機(jī)的澆筑速度。

7 結(jié)語

通過對該翻斗式混凝土給料機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高布料機(jī)等物料輸送設(shè)備的利用效率，減少混凝土運(yùn)輸攪拌車的使用數(shù)量，實(shí)現(xiàn)短距離采用自卸車運(yùn)輸?shù)图?jí)配和小坍落度的混凝土，降低混凝土澆筑成本，幫助工程建設(shè)單位和使用單位降低施工成本，為類似工程施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。