半圆形轮斗优化设计

刘壮壮

华电重工股份有限公司上海分公司



半圆形轮斗优化设计

刘壮壮

华电重工股份有限公司上海分公司

对半圆形轮斗的外形结构进行了详细的介绍和分析，指出了各个参数的作用，以及如何选择确定，并结合工程经验，提出了优化方案。轮斗外形优化后，提高了设备的性能，具有很好的推广应用价值。

斗轮堆取料机； 半圆形轮斗； 外形； 优化设计

1　前言

斗轮取料机是现代化工业大宗散状物料连续装卸的高效设备，广泛应用于港口、码头、发电厂等散料(矿石、煤、焦碳、砂石)存储料场的取料作业。斗轮取料机的核心机构是斗轮机构，而斗轮机轮斗的合理设计是影响斗轮取料机工作性能的重要因素之一，它对减小斗轮切削力，使物料顺利卸出，延长斗齿和轮斗体的使用寿命起到至关重要的作用。轮斗形状多种多样，半圆形轮斗能够均匀传递所受负荷，因此性能最佳，使用寿命较长，所以被广泛使用。本文结合实际工程经验，主要对半圆形轮斗的外形设计进行介绍和总结[1]。

2　轮斗结构设计

半圆形轮斗外形如下图1所示。斗体主要包括斗唇、斗壁、斗弧、斗耳和斗座，其主要特点是轮斗背部曲线是圆弧。这种轮斗的外形主要由以下一些参数控制：上斗唇倾角α、料斗后角θ、侧斗唇倾角β、切向收缩角γ、径向收缩角δ、斗长L、斗高H、斗宽B以及斗弧形状[2]。

图1　轮斗外形

(1)上斗唇倾角α。上斗唇是主要切削物料的部位。上斗唇倾角α的作用是增大斗高H，增加切削面积，是影响切削力的主要参数之一。对于堆积密度小和较易挖去的物料，α值可设计稍大；对于堆积密度大和较难挖取的物料，α值可设计稍小。上斗唇倾角α一般取10°～25°。

(2)料斗后角θ。料斗后角θ的作用是防止斗弧在斗轮旋转过程中与物料产生摩擦。因为斗弧一旦被磨损，将严重影响轮斗的使用寿命。料斗后角θ一般取10°～15°。

(3)侧斗唇倾角β。斗轮臂架回转侧的侧斗唇是主要切削物料的部位，侧斗唇倾角β与上斗唇倾角α作用类似，它增大了斗宽B，增加了切削面积。β一般取为25°。

(4)切向收缩角γ。取料过程中，轮斗的实际速度V为斗轮回转速度V1和斗臂头部回转速度V2的合成速度。切向收缩角γ的作用是防止取料侧斗壁与物料的切削面发生摩擦。所以γ取实际速度V与斗轮回转速度V1的夹角值，但一般不大于20°。

(5)径向收缩角δ。径向收缩机δ是为了使物料顺利卸出。δ一般取为5°～10°。如果δ过大，将会影响斗容大小。

(6)斗长L、斗高H、斗宽B。这3个尺寸为斗子的外轮廓尺寸，决定了轮斗的斗容大小，对设备的取料能力起着关键的作用。

(7)斗弧形状。斗弧形状不但影响轮斗的斗容，而且还会影响轮斗所受载荷的传递。由于轮斗是薄壁结构，如果斗弧形状设计不合理，将会导致应力集中，影响使用寿命。

以上各个参数联合确定了半圆形轮斗的形状，从而决定了轮斗的性能。实际设计时，可以特别将切向收缩角γ和径向收缩角δ适当调整，使得斗子的形状开口截面大，尾部截面小。这种形状的半圆形轮斗能够使大部分物料都集中在斗子的头部和中部，从而能够在最短的时间内将物料卸出。

3　工程实例

华北地区临海某工程，要求斗轮取料能力为6 500 t/h，所取煤炭的容重为0.85 t/m3，煤炭粘度较大。根据设备参数、所取物料特点以及工程所处地理条件，在轮斗设计时，结合理论计算确定了轮斗各个形状参数，如图2所示。另外，结合相关的实际工程经验，也做了如下所述的一系列的改进。

图2　设计轮斗

在一般的设计中，为了满足斗容或者便于安装的要求，往往会将斗长L设计过长，这时斗耳铰轴非常靠近斗轮体轮毂之间的横梁。当斗轮转速较快，物料粘度较大时，部分物料由于离心力的作用依附在斗壁上，经过最高点时才开始卸出。这时物料就被横梁阻挡，导致堆积和洒料，如图3所示。

图3　常规布置料斗

图4　优化布置料斗

本项目设计时特意控制了斗长L，使斗耳铰轴适当远离横梁，如图4所示。经过改进，效果明显，不再出现物料堆积和撒料的情况。

在很多设计中，斗弧形状往往是一条圆弧(见图1)，这种设计往往使得轮斗较为扁平，限制了斗容。另外，轮斗尾部过渡也会出现不平滑，容易发生卸料不完全、受力不均的情况。将斗弧设计成平滑过渡的两段圆弧，如图5所示。这种结构能够根据需要适当增大斗容，有利于轮斗尾部物料的卸出，而且载荷的传递更均匀。

图5　优化设计轮斗

4　结语

结合工程实际情况，合理选择半圆形轮斗各个参数，可以设计出结构合理的轮斗。优化后的轮斗不但强度和刚度均满足设计要求，而且在合理范围内增大了斗容，还能够使物料便利卸出，防止洒料。轮斗外形优化后提高了设备的性能，具有很好的推广应用价值。

[1]邵明亮，于国飞 耿华等. 斗轮堆取料机[M]. 北京：化学工业出版社, 2007.

[2]交通部水运司. 港口起重运输机械设计手册[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

刘壮壮：200122， 上海市浦东新区福山路458号同盛大厦21F

征稿启事

1　2017年主要栏目

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Optimization Design of Cambered Wheel-Bucket

Liu Zhuangzhuang

Huadian Heavy Industries Co., Ltd., Shanghai Branch

Through a detailed analysis of the shape and structure for the cambered wheel-bucket, the definitions of the parameters are illustrated and their selection methods are also introduced. Combining with the actual engineering practice, the optimization design scheme is devised. The performance of the equipment is improved after the optimization of the structure of wheel-bucket, which shows significance for practical production.

bucket-wheel stacker and reclaimer; cambered wheel-bucket; shape; optimization design

2016-06-22

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.007