一種四連桿柔性斗輪技術

尹 鋒 代宗霖 易 琳 郝永全

武漢開銳海洋起重技術有限公司

1 引言

斗輪堆取料機在大中型散貨碼頭被廣泛使用，具有堆料效率高、料種適應性好、可靠性高、操作簡便等優點。但斗輪堆取料機懸臂長，取料時斗輪機構離地太近時可能與地面發生碰撞，會造成堆場地面被損壞或斗輪機構損壞，嚴重時甚至發生斗輪堆取料機側翻事故[1]。為保證安全，斗輪堆取料機取料作業時與地面會預留一定的安全距離，這樣勢必會造成底層物料無法被取走，導致斗輪堆取料機取料作業存在殘余物料較多的問題。常規清場作業多采用裝載機輔助斗輪機或自卸車進行清場作業，效率低、能耗高。

針對現有斗輪堆取料機取料時的不足，提出一種新型四連桿柔性斗輪技術，采用雙作用耦合器以實現斗輪機構的柔性取料。通過建立數學模型，采用遺傳算法優化分析，得到斗輪在觸地時的對地壓力，并在實際應用中驗證其效果。

2 四連桿柔性斗輪技術

2.1 四連桿柔性斗輪工作機理

四連桿柔性斗輪由料斗裝置、伸縮裝置、斗輪體和兩片連接板組成，其中料斗裝置、連接板和斗輪體通過鉸點首尾連接構成四連桿結構，伸縮裝置一端與斗輪體鉸接，一端與兩片連接板鉸接點同軸鉸接(見圖1)。四連桿結構依靠伸縮裝置提供的主動力實現料斗正常取料和觸碰地面時的柔性回縮。料斗在使用過程中處于張開狀態，只在觸碰地面時柔性回縮。

1.料斗裝置 2.柔性伸縮裝置 3.斗輪體 4.連接板

2.2 四連桿柔性斗輪技術性能分析

2.2.1 取料效率分析

斗輪堆取料機的料斗形狀呈現前大后小的喇叭口狀，料斗刃口處張開，側壁收縮(見圖2)。四連桿柔性斗輪的伸縮裝置布置在料斗側面自然收縮形成的空隙處，對料斗的斗容和斗口尺寸的影響微乎其微，因此在取料效率上與剛性料斗一致[2-3]。

圖2 四連桿柔性斗輪伸縮裝置安裝示意圖

2.2.2 耐磨性能分析

四連桿柔性斗輪依靠四連桿的結構優勢將伸縮裝置行程縮小，并布置在料斗斗口的后方位置，料斗在取料過程中，伸縮裝置位于料斗刃口切割、挖取物料后形成的空腔中，其受到的物料沖刷主要來自于坍塌的松散物料，從而減小伸縮裝置的磨損程度。

2.2.3 料斗貼地取料時的動態效果分析

斗輪機在常規取料過程中，柔性斗輪在伸縮裝置和挖掘力的作用下，料斗呈現剛性狀態，其取料效果等同于常規剛性斗輪。在對底層物料進行取料過程中，柔性斗輪可以允許調低斗輪臂架的下限位，使斗輪可以貼地取料。當遇到地面起伏或者臂架的抖動導致斗輪取料機與地面的距離減小時，料斗柔性回縮，自適應地面，料斗與地面之間的壓力保持在一定范圍內，表現為柔性接觸，不會導致堆場地面或者斗輪自身損壞。由于斗輪的取料動作為回轉動作，對于某一高度的堆場地面，料斗碰到地面后觸發柔性回縮，并隨著斗輪的回轉，其柔性回縮行程不斷增大，直至料斗回轉至最低點達到最大回縮量。之后料斗進入上升段，料斗隨著斗輪的回轉動作而展開，并在離開地面時候重新轉換為剛性狀態。

建立柔性斗輪對地壓力N關于斗輪轉動角度α的函數關系如下：

(1)

式中，G為料斗自重；e為料斗重心與料斗尾部鉸點距離；θG為料斗重心鉸點連線與豎直方向的夾角；a為料斗長度；θN為料斗鉸點斗齒連線與豎直方向的夾角；α為斗輪轉動角度；φ為料斗繞尾部鉸點轉動角度，是關于α的幾何關系函數，φ=f(α)；μ為料斗與地面接觸時的摩擦系數；W為伸縮裝置對料斗的力矩，是關于α的幾何關系函數，W=g(α)。

四連桿柔性斗輪在料斗接觸地面后的柔性回縮的過程中，料斗對地面的壓力均為變化的，其變化特點為：對地壓力隨斗輪的轉動而減小(見圖3)。

圖3 四連桿柔性斗輪貼地取料時對地壓力曲線

圖3曲線圖中，起點為料斗剛接觸地面位置，終點為料斗達到最大回縮行程位置。

從上述的壓力-角度變化曲線可以看出：四連桿柔性斗輪從料斗接觸地面至達到最大回縮量的過程中，對地壓力急劇降低，之后對地壓力維持在一個較低的狀態內緩慢變化，整個過程呈現出彈性解鎖的特點，即料斗觸碰地面后立即觸發剛柔耦合的剛性解耦效果，從而保護地面和料斗。

2.3 實際應用效果

柔性斗輪的核心能力在于清場作業時，料斗的近似貼地取料可以極大地降低散貨堆場的剩余清場量，從而提高散貨堆場總的取料效率，降低能耗。經過柔性斗輪清場取料后，經過實際測量，剩余清場物料層厚度約為50 mm，相比于原剛性斗輪減少了90%的剩余清場量。

3 結語

四連桿柔性斗輪作為一種新型散料堆取料裝置，可解決傳統剛性斗輪無法貼地取料而殘余一定高度物料的難題，取料的同時兼備清場功能。在料斗與地面碰撞時，能夠有效地保護設備及堆場地面，且伸縮裝置的磨損小，可延長設備維護周期。