斗輪取料機斗輪自轉現象的探究與遏制

靳文博

（河北港口集團港口機械有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

曹妃甸礦石一期堆場的斗輪堆取料機額定生產率7500 t/h，堆料最大生產率8625 t/h，取料額定生產率3600 t/h，取料最大生產率4140 t/h。該斗輪堆取料機可用于堆和取粒度小于75 mm的鐵礦石及粒度小于300 mm 的煤炭等散狀物料，適用于大中型碼頭、礦山、冶金等工礦企業的儲料場堆取散狀物料。

斗輪堆取料機的取料作業是通過臂架回轉和斗輪旋轉連續實現的。物料經卸料板卸至反向運行的臂架帶式輸送機上，再經機器中心處下面的漏斗卸至料場帶式輸送機運走。通過整機的運行，臂架的回轉、俯仰可使斗輪將儲料堆的物料取盡。

由于日常工作量大，斗輪堆取料機取料斗更換頻繁。在實際的更換過程中，發現斷電后取料斗輪裝置產生了方向隨機的自轉現象。為保證取料斗輪裝置進行維護保養過程的安全性，對自轉現象的產生進行系統性分析，并采取相應技術措施，消除自轉現象。

1 取料斗輪分析

取料斗輪傳動裝置安裝于前臂架的端部，由驅動裝置及圓弧擋料板、斗輪軸、圓弧擋料板、斗輪、軸承座等組成。斗輪驅動裝置由低速大扭矩液壓馬達、液壓動力站及連接油管等組成，液壓泵的進油管直接與液壓馬達的回油管相連，工作液體在系統的管路中進行封閉循環。大扭矩馬達與斗輪軸通過花鍵聯接，馬達上扭力臂通過支座鉸接在懸臂架上。取料斗輪的結構形式為單腹板無格式，既保證斗輪體有良好的強度，又可使卸料快、回料少，比有格式斗輪出力大。

取料斗輪采用單腹板無格式斗輪，取料斗數9 只，旋轉直徑7500 mm，斗容V=0.75 m3，采用半軸式液壓馬達驅動。在現場作業過程中取料斗輪呈現3 種狀態：①正常工作模式：取料斗輪以正向旋轉方式挖取物料，在取料斗輪取料作業完畢后，取料斗輪進行反方向的旋轉，進行清料；②緊急制動模式；取料斗輪在遇到突發情況下進行緊急制動，取料斗停止在任意位置靜止（圖1a））。在對斗輪取料裝置取料斗進行維修保養的過程中，斗輪取料裝置可旋轉至任意位置后啟動緊急制動模式，在保持緊急制動的狀態下斗輪取料裝置靜止，并無自轉現象；③斷電模式：取料工作完畢，排空斗輪取料裝置的料斗內的殘存積料后，斗輪堆取料機進入斷電模式。此時取料斗輪發生了正、反方向隨機自轉狀態，直至斗輪取料裝置達到自平衡后，取料斗輪裝置的某一取料斗位于旋轉中心的垂線上靜止，如圖1b）所示。

圖1 取料斗輪停止位置

2 取料斗輪裝置自轉現象分析

在對取料斗輪裝置的取料斗進行維護與保養的工作過程中，為了防止誤操作，取料斗輪需處于斷電狀態。在斗輪取料裝置進入斷電模式后，取料斗輪旋轉后靜止，某個取料斗位于旋轉中心的垂線上，但它往往不是需要進行維護保養的取料斗。因此需要結合相關圖紙與作業現場的實際情況，對取料斗輪的自轉現象進行系統性分析，采取必要的技術措施防止自轉，以確保在對斗輪取料裝置的取料斗進行維護保養過程中的安全性。

為明確各取料斗在斗輪取料裝置上的關系，對斷電后取料斗輪的隨機位置狀態模型進行相關參數的定義：①斷電后的取料斗輪的隨機初始位置狀態，進入自旋轉狀態的臨界點；②在此狀態下，將右側最高位置的取料斗定義為1 號取料斗，其重量定義為G1；③其余取料斗依次定義為n～9 號取料斗；④將斗輪取料裝置的旋轉中心定為中心點O；⑤1 號取料斗的質心與中心點O的連接線平面距離定位為R1；⑥則其余取料斗的質心與中心點O 的連接線平面距離依次進行相應定義為Rn至R9；⑦1 號取料斗質心位置與中心點垂直線的角度定義為α=α1；⑧由斗輪取料裝置相關圖紙可知，取料斗在取料斗輪體上呈現均布放置狀態，則相鄰兩取料斗的質心與中心點的角度為40°；⑨可計算出n 號取料斗與中心點垂直線的角度分別為：αn=α+（n-1）×40°；⑩1 號取料斗與旋轉中心的垂直線距離為L1；其余取料斗與旋轉中心的垂直線距離分別為Ln至L9；將取料斗輪的所受扭矩定義為T。計算可知：

由于取料斗在取料斗輪體上呈現均布放置狀態，即：R1=R2=…Rn=R9=R。

可知在設計圖紙上取料斗的重量為G=5580 N，即：G1=G2=…Gn=G9=G。

從上述分析可以看出，斗輪堆取料機在正常作業模式結束進入斷電模式，斗輪取料裝置整體受力力矩為0，即斗輪取料裝置在進入斷電模式后達到平衡狀態，因此在斗輪取料裝置結構上不會產生自轉。

但是經過作業現場的實際觀測，由于斗輪堆取料機所取物料的不同特性，取料斗內會殘余粘連部分積料。由于各取料斗內積料重量的不平衡性，導致斗輪取料裝置在斷電模式狀態下的自平衡受到破環。并且由于各個取料斗內的物料重量分布的隨機性，從而產生輪取料裝置在隨機方向上的自轉現象。

3 取料斗內積料對取料裝置平衡的影響

為了明確分析取料斗內積料對取料裝置平衡狀態的影響，將各個取料斗內的積料近似為固定物，不會隨著取料裝置的旋轉而分散或聚集，積料在各個斗內的位置是相同的且固定不變，因此可定義：①在此狀態下，將右側最高位置的取料斗定義為1 號取料斗內積料，即1 號積料，其重量定義為M1，其余取料斗內積料依次進行相應定義為n～9 號積料；②將斗輪取料裝置的旋轉中心定為中心點O；③1 號取料斗的質量中心與中心點O 的連接線平面距離定位為P1，其余取料斗內積料的質心與中心點O 的連接線平面距離依次定義為Pn～P9；④1 號取料斗內積料質心位置與中心點垂直線的角度定義為β=β1；⑤由斗輪取料裝置相關圖紙可知，取料斗在取料斗輪體上呈現均布放置狀態，因此各斗內的積料同樣呈現均布放置狀態，則相鄰兩取料斗內積料的質心與中心點的角度為40°，n 號取料斗與中心點垂直線的角度分別為βn=β+（n-1）40°；⑥1 號取料斗內積料與旋轉中心的垂直線距離為I1，其余取料斗內積料與旋轉中心的垂直線距離分別為In～I9；⑦將取料斗輪的所受扭矩定義為極限力矩Tmax。

斗輪取料裝置處于斷電模式下的隨機位置（圖1a）），在此定義極限狀態為：①右側的取料斗殘存為斗容V=0.75 m3的積料；②左側取料斗內無殘存積料，且其余部位也無任何積料；③取料斗內的積料不會隨著斗輪取料裝置的旋轉而掉落。則此時的極限力矩為：Tmax=M1×I1×sinβ1+M2×I2×sinβ2+M3×I3×sinβ3+M4×I4×sinβ4+M5×I5×sinβ5。

已知：V=0.75 m3，ρmax=6000 kg/m3，I1=I2=I3=I4=I5=3575 mm。

計算可得，在β=10°時斗輪取料裝置達到最大不平衡狀態，Tmax=405.75 kN·m。

4 斗輪取料裝置限位機構的設計與校核

為以確保斗輪取料裝置取料斗維護保養過程中的安全性，消除自轉現象，設計防自轉限位機構。在斗輪堆取料機的臂架前端焊接防自轉限位機構（圖2），限制斗輪取料裝置上的方鋼條幅的正反方向旋轉，對取料斗輪進行定位。該機構結構由限位絲杠與支撐架組成，支撐架腹板上有相應的螺紋孔，限位絲杠銑出方形槽，以便用扳手扭動絲杠進行前后相對運動，斗輪取料機的臂架前端適當位置焊接支撐架。

圖2 防自轉限位機構

支撐架由板塊焊接而成，材料為Q345。將支撐架焊接在斗輪堆取料機臂架前端的相應位置處，限位絲杠軸心與旋轉中心點O 的距離為L=2200 mm，支撐架與臂架前端的焊接要求有：①對接焊、坡口焊的焊接質量等級應為三級；②對角焊縫外觀質量等級應為三級；③在焊接后整形，以保證結構的平行度、垂直度和平面度公差要求。限位絲杠材料為45#鋼，采用梯形螺紋形式，直徑Φ50 mm，為自制件。

使用操作步驟為：①斗輪取料裝置進入正常工作模式，將所需維護的取料斗旋轉至適當位置；②進入緊急制動模式，對取料斗進行定位；③將限位絲杠旋進，前端頂在斗輪取料裝置輻板上，由于方鋼條幅高于輻板，從而達到限制斗輪自旋轉的目的；④進入斷電模式，進行取料斗的保養維護工作。

在限位絲杠限制斗輪取料裝置自轉狀態下，絲杠受力為F，可知：Tmax=F×L，經計算可知F=184.43 kN·m，則93.7 MPa＜τ0。

5 結束語

經過結構校核與實際操作，防自轉限位機構滿足使用要求，能夠保證斗輪取料裝置取料斗維護保養過程的安全性。