一种适用于皮带机的沿线清料设备设计

谭康超 陈康金 周仲元

宝钢湛江钢铁有限公司

1 引言

皮带机是冶金行业中输送物料的最常用设备，其在输送物料的过程中不可避免地存在回程皮带洒料的问题。经过调研发现，洒料问题不仅仅制约卸船作业时间和卸船成本的控制，还关系到清矿工人的身体健康。在工业4.0智慧制造的大背景下，用机器替代人工清矿，是大势所趋。

2 现有技术及其局限性

目前，解决洒料问题一般有以下几种方法。

皮带安装1级、2级清扫器。在皮带机头部安装1级、2级清扫器是必要的，但对于输送流量大、未经初加工、含水量高的铁矿石原料，通过清扫器解决洒料问题效果不理想。有统计数据显示，卸载一艘25～30万t铁矿石的船，一条皮带机的底盘处洒料量可达8～10 t之多，清料往往需要安排3～5个人清理落矿6～8 h。

回程皮带安装高压冲水装置，通过高压水的冲击达到去除皮带工作面上粘料的目的。目前该技术在国内用的比较少，并未大规模的推广应用。根据该技术的工作理论，其也存在以下几个方面的弊端：一是需要配备比较大的沉淀池，增加了场地；二是高压水冲击过的皮带易发生打滑、皮带机跑偏故障等。

通过人工铲除皮带机底部的洒料、积料。人工清料优点是人体动作灵活，可以适应清理现场各种凌乱不规则的洒料。但是，人工清料消耗体力大、工作效率低、工作环境粉尘多，不利于工人的身体健康。

借助小型推扒机、铲斗车等机械工具清理归堆的积料，而该设备只适合场地空旷场所。

虽然解决洒料问题的办法和工具很多，但都有一定的局限性和弊端。因此，研究一种机械化、自动化和智能化程度比较高的清理洒料设备是技术发展的趋势。

3 方案设计及清料装置模型

清料主要包含2个动作：①把皮带机丢下的物料清料到皮带机通廊上；②把物料清理到皮带机上，由皮带机运送到指定的料场。该清料设备只研究如何把物料从皮带通廊边上抓取并卸到皮带上，而将皮带机底下的物料清理到通廊上则由另外的一套设备完成。

该清料设备的机械结构主要由大车前后行走机构、小车左右移动机构、抓斗升降机构、抓斗、液压系统、行车轨道等六大部分组成(见图1)。清料装置应用于皮带沿线的场景示意图见图2。

1.整机箱梁机构 2.行走小车 3.液压站 4.小车驱动轮组件 5.小车轨道 6.抓斗伸缩机构 7.抓斗 8.从动车轮组 9.主动车轮组图1 清料装置整机图

1.清料设备整机 2.行车导轨机构 3.皮带机设备图2 装置应用于皮带机沿线场景

该整机设计部分包括大车行走的龙门架机构、左右行走轨道机构、左右行走拖动机构、抓斗升降控制机构以及抓斗开闭控制机构等，还需进行液压控制系统的设计，控制清料装置抓斗的升降运动以及抓斗的开闭运动。其中升降运动机构由3套同步液压控制的液压油缸实现，抓斗的开闭由1套液压油缸控制(见图3)。

1.承重箱梁 2.行走车轮 3.行车导轨机构 4.伸缩杆 5.抓斗图3 抓斗及伸缩机构

4 清料设备的工作原理

该清料装置靠大车的前后移动、小车的左右移动、升降机构带动抓斗的上下运动和抓斗的开闭运动等一系列的动作组合而达到取料、卸料的目的。

大车前后行走机构确保设备能够到达皮带机沿线的洒料归积点。大车的行走靠自带刹车系统的三合一减速电机进行驱动，当大车行走到指定的作业点，停止驱动电机后，电机的刹车系统自动抱紧，从而达到刹车的目的。此外，大车的从动轮出还安装了一套防翘腿机构，以防止整机的倾倒以及翘腿等问题出现，属于整机的安全防护机构。

图4 液压系统设计原理图

小车左右移动机构主要由小车行走轨道、小车驱动链轮组件、三合一驱动减速电机以及升降机构承载框架等部分组成。小车左右移动机构主要满足清料设备能够完成清料作业的往复运动和作业的连续循环，从采料的起始点到达卸料的末点，又从卸料的末点回到采料的起点。这里的起始点和末点分别指皮带机的两侧洒料堆积点和皮带机的输送带工作面。

抓斗升降机构是实现清料动作的关键动作环节，该机构的运动动作主要通过液压系统的液压缸的伸缩来实现，由3套同步运动的液压缸驱动升降架的伸缩从而实现机构的升降，即从皮带机两侧的通廊处抓料升高到比皮带机上托辊更高的高度。

5 液压系统的设计

液压系统是实现清料动作的关键部分，液压系统的设计图见图4。该液压系统由2部分组成，包括抓斗升降运动部分和抓斗开闭部分。抓斗的升降由3个同步伸缩控制的油缸27实现，而抓斗的开闭由油缸28控制实现，这2个油缸的控制速度快慢可以通过叠加式AB口单向调速阀22进行调节。2个油缸的电气控制逻辑见图5，两部分油缸的伸缩动作必须在YV1和M1都得电后才能实现。当YV3得电时，3个抓斗升降控制油缸同时执行伸出的动作；当YV2得电后，电磁阀25.1执行切换动作，油缸27执行缩回指令，油缸缩回。同理，抓斗的开闭动作由电磁换向阀25.2控制。当YV4得电，抓斗闭合，抓斗执行取料动作指令；当YV5得电，抓斗打开，抓斗执行卸料指令。

图5 电气控制逻辑图

6 升降机构销轴设计验算

为便于对销轴的受力进行分析，需对升降机构的模型进行简化，液压缸处于伸长量最大时销轴的受力最大，简化模型见图6，在该模型下验算销轴的合成应力是否小于材料的许用应力[1-3]。

图6 销轴受力分析简化模型

6.1 液压缸最大推力计算

已知物料的密度ρ=900 kg/m3，抓斗的抓料体积V=0.13 m3，重力加速度g=9.8 N/kg。物料的重力为：

G1=mg=Vρg=0.13×900×9.8=1 146.6 N

(1)

抓斗的重力为：

G2=mg=115×9.8=1 127 N

(2)

可得抓斗的本体重力和物料的重力之和：

G=G1+G2=1 146+1 127=2 273 N

(3)

由图6，根据平面任意力系的平衡条件得：

ΣM0(F)=GL1sinα-F3L2sinβ=0

(4)

式中，L1为700 mm；L2为123 mm；α=10°；β=56°。

根据以上的公式可以算出液压缸的最大负载推力F3为：

F3=L1Gsinα/L2sinβ=2 709.62 N

(5)

6.2 轴的应力校核

轴的最大弯曲应力计算公式为：

(6)

式中，σmax为销轴的最大弯曲正应力；Mmax为销轴最大弯矩；L为两臂板中心距离，L=450 mm；W为销轴所受最大弯矩值截面的抗弯截面系数。

(7)

由公式(6)和(7)可得弯曲应力公式为：

(8)

轴的剪应力计算公式为：

(9)

式中，τ为轴的剪切正应力；d为轴的直径。

可得轴的合成应力为：

(10)

式中，[б]为销轴材料的许用正应力，45#钢的许用正应力[б]=244 MPa。由以上式(8)、(9)代入式(10)可以得出：

2.2 增设实践环节 实践是检验真理的唯一标准，更是掌握理论知识的最有效手段。资源昆虫学具有很强的技术性和实用性，仅通过理论学习或者重理论、轻实践的培养模式无法培养出卓越人才。因此，在课堂讲授过程中，鼓励学生课后多动手、多观察，提高学生理论联系实际的能力，增强学生的实践技能。例如，给学生分发黄粉虫，让学生在实验室或宿舍内人工饲养，通过每天的观察记录，使学生掌握黄粉虫的饲养技术及生物学特性。

(11)

设计轴径d=30 mm，工作压力P=F3=2 709≈2 710 N；L=450 mm。由以上计算公式算得出σ=117.1 MPa<[б]=244 MPa，因此，选用轴径为30 mm，可满足本设计的使用要求。

7 液压系统选型计算

7.1 液压缸额定压力选择

液压缸的工作负载为2.71 kN,取安全系数n=3，工作负载即为Fs=2.71×3=8.13 kN。

由表1可查得液压缸的工作压力应在1.5～2.0 MPa的范围内。液压缸的额定压力是指液压缸工作时允许的最大压力。按照表2国标GB2346-93所规定的系列选用，并应大于表1所确定的值，即Pn>P,即可确定油缸的额定压力为2.5 MPa[4-5]。

7.2 液压缸内径计算

由工作压力和负载即可算出液压缸的内径，

表1 按负载选择液压缸的工作压力

计算公式为：

(12)

表2 液压缸额定压力系列/MPa

将负载Fs=8.13 kN、工作压力P=2.5 MPa代入上式可得，油缸内径D为64.6 mm。按表3(GB2348-93)进行圆整后，取D=80 mm。

表3 液压缸的内径系列/mm

根据活塞杆的直径选取规则，当工作压力小于等于5 MPa时，活塞杆的直径是油缸内径的0.3～0.5倍，取0.4，则活塞杆直径d=0.4×80=32 mm。

7.3 液压泵工作压力

已知液压缸的内径80 mm,最大工作负载8.13 kN ，计算液压泵的工作压力计算公式

(13)

式中，P泵为液压泵所需要提供的压力，Pa；K压为系统中压力损失系数，取1.3～1.5,这里取1.4；P缸为液压缸中所需的最大工作压力，Pa。

液压缸的工作压力P缸为:

(14)

(15)

由(13)、(14)、(15)式可得：

(16)

式中，A为油缸的受力面积,m2。

由以上的公式计算得，泵的工作压力P泵为2.32 MPa。

7.4 液压泵的流量计算

根据相关理论公式，计算液压泵的流量[6-7]。液压缸的设计工作速度v=0.5 m/min。泵的流量公式为：

Q泵=K流NQ缸

(17)

Q缸=vA

(18)

式中，K流为液压系统的泄露系数，取1.3；N为同步并联油缸数量，N=3。计算可得液压缸的流量Q缸=4.19×10-5m3/s，泵的流量Q泵=9.8 L/min。

7.5 电动机的功率计算

由电机的功率计算公式：

(19)

式中，PM为电机所需功率；η为泵的总效率，取0.75。将相关的数据代入，可得电动机的功率PM为0.505 kW。由此，可取电机的功率为0.55 kW。

8 结语

针对皮带机沿线所存在的洒料问题，设计了一种可减轻工人清料劳动强度的机械化设备，从整机设计的机械设计、液压系统的设计方案、销轴应力校验计算等方面，解决了该清料设备设计中的关键性问题，为该课题研究的顺利开展提供了可靠的前端设计依据，为行业的技术革新提供了一种可以借鉴的解决方案。