連續(xù)卸船機臂架俯仰液壓油缸密封選擇及機構設計

毛 兵 訚耀保

1 同濟大學機械與能源工程學院 2 上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

鏈斗式連續(xù)卸船機以其環(huán)保、高效、智能等優(yōu)勢在散貨碼頭得到廣泛應用。連續(xù)卸船機主要由鏈斗提升驅(qū)動機構、臂架伸縮機構、回轉(zhuǎn)機構、臂架回轉(zhuǎn)機構、臂架俯仰機構、大車運行機構等構成[1]。其中臂架俯仰機構主要用于起吊推耙機,因此俯仰角度較大,一般為-18°～+35°。隨著卸船能力的增加,臂架自重和后端配重較大,臂架俯仰負載也越來越大。為增加卸船效率并縮短進出倉時間,一般設置臂架筒體中心速度為15 m/min。上述要求導致臂架俯仰行程長、載荷大且速度快,給臂架俯仰油缸和系統(tǒng)設計提出了更高要求。

為此,以某一散貨碼頭連續(xù)卸船機為例,分析各工況下油缸的負載情況,設計最合理的密封形式和油缸結(jié)構,并對油缸壓桿穩(wěn)定性做出校核,為連續(xù)卸船機液壓系統(tǒng)設計與優(yōu)化提供技術支撐。

2 臂架俯仰不同工況下的載荷

該3 600 t/h鏈斗式連續(xù)卸船機,設計作業(yè)船型為30萬t級兼顧35～40萬t級散貨船卸料作業(yè)。以散貨船空載高水位狀態(tài)下起吊推耙機時的角度為臂架俯仰角度上限,以散貨船半載高水位和滿載高水位狀態(tài)的角度為臂架俯仰工作角度上限,以散貨船半載低水位狀態(tài)確定臂架的俯仰工作角度下限。根據(jù)最大船型吃水水位可得出,臂架俯仰上下極限角度為-17°～31.5°(見圖1)。

1.空載高水位 2.半載低水位圖1 鏈斗式連續(xù)卸船機總體布置圖

求得連續(xù)卸船機臂架的上下極限角度后,根據(jù)機構總圖相關尺寸可以計算出油缸在臂架俯仰各個角度時對應的安裝距。在臂架俯仰上下極限位置,適當考慮余量,得出俯仰油缸的最大和最小安裝距和行程。油缸和上部機構計算簡圖見圖2,計算原點為配重梁變幅鉸點O,X軸為臂架方向(陸側(cè)指向海側(cè)),Z軸豎直向上,Y軸符合右手定則,臂架回轉(zhuǎn)半徑為R,油缸運行在XOZ平面內(nèi)。當油缸完成伸縮動作時,以油缸鉸點B為原點,帶動鏈斗機上部結(jié)構和BE筒體部分完成擺動。

1.前拉桿 2.后拉桿 3.中間撐桿 4.前平衡梁 5.俯仰油缸 6.配重梁 7.臂架 8立柱圖2 鏈斗式連續(xù)卸船機上部機構簡圖

以臂架俯仰零度為基準,通過機構固定尺寸測量油缸上鉸點A的X軸和Z軸坐標,分別記為XA0和ZA0,測量油缸下鉸點B的X軸和Z軸坐標,分別記為XB0和ZB0。根據(jù)俯仰不同的角度可以計算出臂架在不同角度時油缸上鉸點的坐標,油缸下鉸點B在臂架俯仰過程中固定不動,因此下鉸點B坐標不變。根據(jù)各個角度時油缸上下鉸點AB的X軸和Z軸坐標,計算液壓油缸長度見表1。

表1 液壓油缸鉸點坐標

根據(jù)表1的計算結(jié)果,考慮上下極限位置余量,選取油缸行程為7 100 mm,最大安裝距為16 175 mm,最小安裝距為9 075 mm。

連續(xù)卸船機作業(yè)分為4種工況:無負載無粘附;無負載有粘附;有負載有粘附;吊推耙機有粘附。計算各工況下在俯仰不同角度時液壓油缸的實際載荷見表2(拉伸為“+”,壓縮為“-”)。

表2 俯仰油缸不同工況下各角度下實際載荷

由表2可以看出,可分別以無粘附無負載的受拉特性和有粘附有負載的受壓特性來校核液壓油缸的拉壓穩(wěn)定性。

3 油缸密封選擇及機構設計

活塞桿密封采用多組件的活塞桿密封圈,包含1個壓力環(huán)和至少3個V型密封圈及1個支撐環(huán)(見圖3)。

1.活塞桿 2.防塵罩 3.防塵圈 4.壓蓋 5.導向套 6.V型圈 7.O型圈 8.擋圈 9.導向帶 10.缸筒圖3 俯仰油缸活塞桿密封形式

活塞密封采用多組合件活塞密封組,由1個壓環(huán),1個支撐環(huán)和1～2個V型活塞密封圈組成,主要應用于苛刻和惡劣的工作條件(見圖4)。V型密封圈組可以用于一側(cè)承壓的活塞,也可用于活塞兩側(cè)承壓的密封系統(tǒng)。

1.O型圈 2.擋圈 3.活塞1 4.V型組合密封 5.支撐環(huán) 6.導向帶 7.活塞2 8.螺母 9.缸底圖4 俯仰油缸活塞密封形式

4 油缸壓桿穩(wěn)定性校核

該連續(xù)卸船機油缸規(guī)格為630/360-7100。根據(jù)計算的極端拉壓負載可知,臂架俯仰角度越高,油缸伸出安裝距越長,油缸受力逐漸變?yōu)槭芾?臂架俯仰角度越低,油缸縮回安裝距越短,油缸受力逐漸變?yōu)槭軌骸?/p>

液壓缸承受軸向壓縮載荷時,當活塞桿直徑d與活塞桿的計算長度l之比大于10時,應校核活塞桿的縱向抗彎強度或穩(wěn)定性[3]。考慮臂架俯仰升降過程中載荷大小和方向均存在變化,偏心載荷難以計算,根據(jù)項目經(jīng)驗和適當放大安全系數(shù),按照無偏心載荷非等截面計算法計算,公式如下:

(1)

式中,Pk為活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷;k為形狀系數(shù);E為活塞桿材料彈性模量;J為活塞桿的轉(zhuǎn)動慣量,mm4;l為液壓缸的安裝長度,m。計算臂架在有負載有粘附情況下各個工作角度時的臨界載荷,對比作業(yè)時實際工作載荷,得出安全系數(shù)(見表3)。

表3 臂架變幅油缸穩(wěn)定性校核(非等截面法)

根據(jù)上述計算表格可知,在臂架俯仰16°時安全系數(shù)最小,此時的安全系數(shù)為3.69,符合安全系數(shù)為2～4的要求,因此該油缸選型合理,且壓桿穩(wěn)定。

5 結(jié)語

分析了某型連續(xù)卸船機臂架俯仰油缸行程、負載等參數(shù)的計算方法,并進行了大噸位、長行程、高速度工況下油缸密封形式的比較選擇。計算校核了油缸的壓桿穩(wěn)定性,驗證了該散貨碼頭項目油缸選型的合理性,為該項目油缸設計與選型提供了技術支持。