堆取料機自動平衡配重系統(tǒng)設計研究

宋希亮

（本鋼板材股份有限公司，遼寧 本溪 117000）

0 引言

由于堆取料機的配重對于堆取料機的平衡至關(guān)重要，如果配重過大，相對系統(tǒng)的不平衡力矩變小或使不平衡力矩小于零容易使俯仰系統(tǒng)發(fā)生振動或傾覆（配重落地）；如果配重過小，會使相對系統(tǒng)的不平衡力矩過大，導致俯仰驅(qū)動鋼絲繩或油缸受力過大，并使驅(qū)動額外負載加大，而我國北方地區(qū)在冬季生產(chǎn)時斗輪凍料嚴重，增加了前端重量，造成堆取料機俯仰難度增加，影響堆取料機的作業(yè)效率、安全性能及液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。

堆取料機的自動平衡配重設計研究，通過俯仰的角度、油缸拉力傳感器檢測懸臂上下俯仰、油缸受力情況，反饋至控制系統(tǒng)，控制配重塊的驅(qū)動電機動作，進而隨著堆取料機懸臂上下俯仰情況時刻改變配重位置，改變平衡系統(tǒng)的力矩，保證堆取料機的懸臂無論俯仰至高空極限點還是下降至最低極限點，其驅(qū)動系統(tǒng)輸出力最小，設備運行穩(wěn)定，高空極限點處設備穩(wěn)定安全，不發(fā)生傾覆的重大事故。

1 設計原理

1.1 堆取料機的自動平衡配重機械設計原理

堆取料機的自動平衡配重裝置，包括配重塊、驅(qū)動電機、齒輪、齒條、輔助支撐輪、行走軌道等結(jié)構(gòu)組成，見圖1。

圖1 堆取料機整體簡圖

配重塊的驅(qū)動動力來自于驅(qū)動電機，通過驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)帶動齒輪在齒條上前后行走，進而實現(xiàn)了配重塊的前后移動，使其力矩根據(jù)堆取料機懸臂上下俯仰角度，實時調(diào)節(jié)配重的前后距離，保證系統(tǒng)平衡，油缸受力最小，系統(tǒng)壓力負荷最小[2]。其工作狀態(tài)見圖2。

圖2 堆取料機工作狀態(tài)示意圖

1.2 堆取料機的自動平衡配重電氣設計原理

自動平衡配重系統(tǒng)在自動配重方面，采用傳感器和自動控制技術(shù)。在堆取料機俯仰油缸與懸臂梁之間安裝檢測儀和傳感器。檢測儀通過傳感器與微型計算機連接。本系統(tǒng)采用角度、壓力傳感器安裝在堆取料機俯仰油缸與懸臂梁之間。角度、壓力傳感器通過對俯仰油缸的平衡情況輸出一個角度及壓力的數(shù)據(jù)，再通過采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換后傳人到微型計算機控制器內(nèi)部，由微型計算機進行數(shù)據(jù)處理。微控制器根據(jù)平衡函數(shù)對力矩的變化進行分析處理后輸出控制信號[3]。使配重按照控制信號，由驅(qū)動裝置驅(qū)動堆取料機配重沿著配重梁滑動，從而控制堆取料機配重與俯仰支點的中心距離，使配重與斗輪懸臂實現(xiàn)動平衡狀態(tài)。

堆取料機的自動平衡配重裝置及其方法的動作原理細節(jié)為：控制系統(tǒng)接到角度、油缸壓力傳感器檢測角度反饋信號控制驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，驅(qū)動電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，以齒條為行走軌道，使配重塊在齒條上面前后移動，進而實現(xiàn)自動平衡配重的功能[4]。

狀態(tài)一：當堆取料機懸臂處于平衡位向下位運動時，角度、油缸壓力傳感器檢測角度反饋，由于懸臂向下位動作系統(tǒng)平衡力矩變大，此時配重塊位于平衡位置在驅(qū)動電機的作用下向后運到，進而保證系統(tǒng)平衡，油缸受力最小，系統(tǒng)壓力負荷最小。

狀態(tài)二：當堆取料機懸臂處于平衡位向上位運動時，角度、油缸壓力傳感器檢測角度反饋，由于懸臂向上位動作系統(tǒng)平衡力矩變小，此時配重塊在驅(qū)動電機的作用下向前運到，進而保證系統(tǒng)平衡穩(wěn)定，杜絕發(fā)生懸臂傾覆的事故發(fā)生。

狀態(tài)三：當堆取料機懸臂處于下位向上位運動時，懸臂的移動軌跡為：下位到平衡位；平衡位到上位，配重塊的具體動作步驟為：配重塊處于平衡梁最后位置在驅(qū)動電機作用下隨懸臂的抬高時刻向前方移動。

狀態(tài)四：當堆取料機懸臂處于上位向下位運動時，懸臂的移動軌跡為：上位到平衡位；平衡位到下位，配重塊的具體動作步驟為：配重塊處于平衡梁最前位置在驅(qū)動電機作用下隨懸臂的降低時刻向后方移動。

2 數(shù)學建模

以DQL-800/1000-30型號堆取料機為例，通過受力平衡分析簡化堆取料機懸臂、俯仰油缸及配重的受力情況，根據(jù)力矩平衡原理建立數(shù)學模型，其簡化圖見圖3。已 知：G1=8050kg，G0=9414kg，L0=30m，L1=3.279m，L2=12.2m，θ＝27.32°。

圖3 堆取料機力矩示意圖

2.1 固定配重時液壓缸受力

圖中t為俯仰液壓缸受力，設固定配重時為t1，根據(jù)力矩平衡原理建立數(shù)學模型其方程為：

將已知量代入分解得：

式中：△θ為堆取料機懸臂上下俯仰夾角θ的變化量，其說明書顯示△θ=（-14.93°～11.14°）。

2.2 自動平衡配重時液壓缸受力

設固定配重時為t2，根據(jù)力矩平衡原理建立數(shù)學模型其方程為：

式中：△L為堆取料機懸臂上下俯仰時配重前后自動平衡的變化量，△L=（0～15.45），將已知量代入分解得：

3 仿真分析

3.1 模型建立

根據(jù)堆取料機平衡力矩及以上數(shù)學模型，應用Matlab仿真軟件，搭建系統(tǒng)仿真模型，見圖4。設定配重移動的變化量△L靠近支點方向為負值，遠離支點方向為正值；懸臂俯仰大臂角度變化量△θ上仰時為正值，下仰時為負值。通過Matlab軟件仿真俯仰油缸受力t隨著懸臂俯仰角度△θ和自動配重移動距離△L的變換量之間的關(guān)系，通過仿真可看出配重不移動時俯仰油缸受力t1隨著懸臂的下降而增加；配重移動即自動平衡配重工作時俯仰油缸受力t2隨著懸臂下仰角度變化△θ為負值而自動配重移動距離變化△L為正值；懸臂上仰角度變化△θ為正值而自動配重移動距離變化△L為負值的平衡改變使液壓缸受力t2在小范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定值。

圖4 堆取料機自動配重工作油缸受力Matlab仿真模型

3.2 不同因素對自動平衡系統(tǒng)的影響分析

堆取料機在冬季生產(chǎn)作業(yè)時，斗輪粘料嚴重，進而增加了前端的額外負載，在電氣系統(tǒng)設計時傳感器同時檢測油缸壓力情況，通過分析正向壓力與負向壓力調(diào)節(jié)配重的移動方向，進而保證系統(tǒng)受力平衡，減小油缸受力，確保設備安全穩(wěn)定、降低液壓系統(tǒng)故障、提高工作效率。

4 結(jié)論

設計了一種滿足堆取料機工作要求的自動平衡系統(tǒng)，其能夠隨時檢測堆取料機的工作狀態(tài)，實時調(diào)節(jié)配重位置，改變力矩，保證系統(tǒng)受力平衡。

通過建立俯仰油缸受力數(shù)學模型和仿真模型，研究了不同工作狀態(tài)下自動配重及油缸的受力情況，分析仿真結(jié)果顯示，設計合理有效，為堆取料機的設計和使用提供了一定的理論和現(xiàn)實指導意義。