可实现圆形料场堆取料机360°回转的设计

徐云轩

华电曹妃甸重工装备有限公司 唐山 063210

0 引言

圆形料场堆取料机(以下简称堆取料机)在半封闭料场中实现堆取料工作，避免了粉尘在空气中弥漫造成环境污染和松散物料的浪费。随着国家对环境保护重视程度的不断提升，堆取料机设备在散料输送设备中的优势逐步得到显现。在有限空间范围内，增大堆取料机堆料和取料的角度范围，提高料场的储料量以及利用率是堆取料机设计人员研究和探索的方向。

1 工作原理

1.1 堆取料机组成

堆取料机由钢结构、电控系统、消防系统、喷雾抑尘系统、润滑系统等组成。钢结构是设备的主体部分，是实现设备功能的基础；电控系统犹如设备的血管，为设备的各个部分提供电源以及反馈信号；消防系统是为保证堆取料机设备所处环境安全所提供的消防设施；喷雾抑尘系统降低和保证堆取料机设备所处环境的粉尘浓度；润滑系统提供自动润滑或手动润滑，保证设备良好运行并提高设备整体寿命。

作为设备实现功能的基础，堆取料机的钢结构由堆料机、取料机、中间柱体和栈桥支撑平台等组成，其中取料机由门架和刮板机或采用悬臂架钢结构和刮板取料机组成。栈桥支撑平台与中间柱体部分采用回转支承连接，实现二者的相对转动；堆料机与中间柱体和栈桥平台之间分别采用回转支承连接，实现堆料机与中间柱体和栈桥平台的相对转动；取料机与中间柱体采用回转支承连接。

1.2 堆取料机工作模式

堆料机和取料机部分分别有各自的进料的料斗。外界物料通过栈桥输送带输送物料到达栈桥支撑平台与堆料机连接处的中心料斗，通过料斗到达堆料机的堆料带式输送机，通过带式输送机的输送至落料点，从而使得物料直接落到圆形料场中，实现设备的堆料，通过调控堆料臂的旋转角度控制，实现人字形堆料，散装物料根据自身的堆积角呈现出自身的堆积形状，实现料场空间的最大利用率；堆取料机的取料机通过门架钢结构或悬臂架，利用钢丝绳的放松和拉紧使刮板机可以实现俯仰操作，通过一次调整调整刮板的吃料深度，可实现圆形料场一周的取料，提升刮板机取料效率；通过多次调整刮板对物料的吃料深度，可使刮板取料机中的刮板刮取不同层面的物料，从而使得整个料场的物料可以转运出去。刮板刮动物料，料场中物料通过下部中心料斗输送到地下廊道的系统，由输送带运输到目的地，完成堆取料机设备的取料。

图1 堆取料机示意图

2 无法实现360°回转原因分析

2.1 电控系统对堆取料机回转角度的影响

堆取料机供电电源通常位于地下廊道位置，其电气房为整个设备提供动力电源，司机室主要接受设备各个位置的反馈信号和控制信号，设备司机可以根据相应信号进行正确的操作设备，实现设备的正常运行。通常情况下，堆取料机设备的电气房和司机室布置在堆取料机的取料机部分。堆取料机的堆料机和取料机部分在工作状态可以相互转动，相对转动时大量的电缆在同方向旋转会缠绕在一起，或电缆长度不够，或电缆打成死结，无法继续完成回转操作。这样会使堆取料机的回转角度大大缩小，限制堆取料机的相对回转角度，同时也会降低圆形料场存储散料的有效面积，降低圆形料场的使用率。

2.2 相对高度对堆取料机回转角度的影响

堆取料机的取料机由门架钢结构和刮板取料机或悬臂架钢结构和刮板机组成，通过钢丝绳放松或拉紧实现刮板取料机的俯仰操作，通过依次调整刮板的吃料深度及取料机的回转实现刮板取料机对圆形料堆的逐层取料。当门架钢结构或悬臂架钢结构高度回转到堆料机时，在垂直高度会与堆料机直接碰撞，此种情况会使堆取料机在回转过程中无法实现连续回转，堆取料机设备的堆料机和取料机在回转过程中，会受到另外一个位置的影响，无法实现二者的任意相互转动。

2.3 回转部件对堆取料机回转角度的影响

堆取料机的堆料机和取料机实现回转的零部件是拖令。拖令由轨道、拖令小车和电缆拖令上的电缆、水管和气管等组成，拖令小车分为驱动头车、中间车和固定尾车。拖令轨道是圆形轨道，拖令小车可以在轨道上紧密连接或是通过下垂的电缆实现小车之间距离拉伸，实现堆取料机堆料机和取料机的相对回转角度，电缆、水管和气管通过固定夹固定在拖令小车上，同时各个小车之间可以让电缆、水管和气管下垂一定高度，满足堆料机和取料机回转角度的增加，以免损坏电缆、气管和水管。但是，当圆形轨道的拖令上的小车运动到最紧密时，驱动头车和固定小车之间始终有一定距离，即回转装置拖令在工作时会有最小挤压角，使堆取料机的堆料机和取料机的相对固定角度得到限制，且无法消除，从而无法实现堆料机和取料机的360°回转。

3 堆取料机回转方式优化措施

根据堆取料机的堆料机和取料机的工作原理和结构形式及料场的供水、供电和供气方式，堆取料机设备电气控制的电气房和司机室无法布置在堆料机上，只能布置在取料机上，无法采用优化电气房和司机室的布置位置进行堆取料机设备实现360°回转的方案优化。因此，具体的优化方式只能通过优化堆取料机设备回转过程，保证该过程中不产生机械干涉；优化堆取料机设备回转部件的选型和优化。

为减少或避免堆料机和取料机在假设能满足360°回转时的机械干涉，分2 种情况进行分析：1）充分利用圆形料场基础和钢网架所组成的空间，通过增加堆料机和取料机之间的相对高度位置避免相对干涉位置；2）在空间有限情况下，在高度上无法实现错开位置的堆取料机可在堆料机与中间柱体采用回转支承连接的基础上采用液压缸将中间柱体和堆料臂进行连接，从而实现堆料机的俯仰操作。在此基础上，可在堆料机和取料机回转过程即将干涉时将堆料机先进行俯仰操作，使其高度超过取料机的门架或悬臂架相应的位置，从而保证能达到堆取料机在单纯机械回转上实现360°回转。

在满足机械相对转动的前提下，要实现电气控制的需求，仅使用圆形轨道的拖令时无法实现堆取料机设备的360°回转功能，此时存在2 种思路，1）为优化圆形拖令的形式；2）为采用替代的方案，使得能在满足整机电气控制需求的基础上，实现堆取料机的堆料机和取料机实现相对360°回转功能。

原有的圆形拖令轨道无法使堆取料机实现360°回转，主要原因为拖令小车自身的长度在最小挤压角度范围内占用了一定的范围，且此范围时无法去除掉，若优化此方案，采用一种方式使堆取料机使用拖令小车不占用圆形拖令轨道工作范围。由于堆取料机设备的堆料机和取料机均是相对中间柱体进行回转的圆周运动，拖令轨道须为圆形结构，故可考虑将拖令小车的圆形轨道做成螺旋轨道形式，使拖令小车最小挤压角度范围所占用的空间范围在轨道的内圈，且拖令小车可以运动的轨道角度可达360°，从而使拖令小车的最小挤压范围不占用堆取料机设备回转的360°范围内。托令安装方式与托令如图2、图3 所示。

图2 拖令安装方式示意图

图3 拖令俯视图

另一种方式是采用其他回转装置代替拖令轨道的形式。根据目前堆取料机设备使用情况，可以采用滑环代替其中的一个拖令，实现堆料机的回转功能(见图4)。滑环的主要部分是导电环和电刷，而滑环的原理是由其结构决定。滑环原理是部分旋转式滑动接触，一个固定的物件静止不动，连接一部分能旋转的活动的部件，而这个连接外部部件的结构是通过电刷接触滑环，可以边旋转边连接传输所要传输的信息。此种情况可实现堆料机相对于中间柱体360°回转。

图4 滑环示意图

堆取料机的回转装置有拖令和滑环2 种，理论上就可以采用不同的组合形式实现堆取料机的堆料机和取料机分别实现360°回转，一种方式是堆料机和取料机均采用拖令回转装置，此种形式称为双拖令结构；另一种方式是采用一个拖令一个滑环；此外还使用双滑环结构形式，但滑环的进口位置是固定的，故滑环作为堆取料机设备的回转部件只能用在堆料机部分。经过分析，组合方式仅为双拖令结构和滑环加拖令结构2 种，且滑环是用在堆料机部分。

4 安全监测保护功能

由前述可知，堆取料机设备的回转装置可以是拖令也可是滑环，因滑环的结构可以实现360°无限制回转，并不会产生干涉或存在其他的影响使用功能的情况，故在使用滑环结构时，无需单独配备相应的安全监测保护装置。在堆取料机的回转部件采用拖令时，由于拖令小车在拖令轨道上拉伸和挤压过程中会有最大拉伸距离和最小挤压距离，相当于拖令头车和固定小车之间含有最大和最小的极限距离，若堆取料机在回转过程中超过拉伸的极限距离，继续进行回转操作就会使得拖令电缆被拉伸，导致电缆使用寿命降低或直接损坏；若拖令小车被挤压在最小极限距离范围后继续进行回转操作，将使拖令小车之间产生挤压，使拖令小车被挤压，出现撞车现象。无论哪种情况产生均会使堆取料机设备的备件产生损坏，降低设备的使用性能甚至产生不可逆损坏，影响设备使用，降低设备寿命，为减少和避免产生以上损坏的情况发生，可考虑为拖令回转装置设计相应的回转监测和报警装置，增加设备使用的可靠性。

拖令轨道固定在中间柱体的平台下方，拖令在拖令轨道上进行回转行走。由于拖令为堆料机或取料机与中间柱体进行连接，拖令的驱动小车一端与堆料机或取料机进行连接。2 个相对转动的部件采用二级保护装置，第1 级接近开关触发信号进行预先警告，第2 级采用机械保护开关，采用机械方式触发进行报警，从而保证拖令在回转过程中不受损坏，拖令保护装置见图5。

图5 拖令保护装置

图6 检测保护单元示意图

二级保护开关固定方式的确定：根据堆料机或取料机与中间柱体是相对转动结构，故限位开关应固定到堆料机或取料机一端；另一端应固定感应装置，在堆料机或取料机回转到拖令的极限角度时，限位开关会产生相应的感应信号，感应信号会直接传达到司机室，供堆取料机司机根据相应信号做出相应的操作。由于拖令轨道的直径大部分为5 ～8 m，半径为2.5 ～4 m，固定限位开关通常采用桁架结构，既保证限位开关的工作范围，同时又增强了限位开关支架的强度和稳定性。从整体结构上设计保护了堆取料机设备的拖令结构，从而提升了堆取料机设备的使用性能和保护性能。

5 运行仿真效果

本文所述实现堆取料机回转的设计研究目前已经在设计项目中进行应用，堆取料机设备的堆料机和取料机均可实现360°回转功能且可实时监控，运行过程的检测保护单元亦可实现实时监测，如图7 ～图9 所示。

图7 堆料360°监控仿真

图8 取料360°监控仿真

图9 堆、取料回转角度监测仿真

6 结语

基于堆取料机设备依靠本身所处的半封闭环境，在满足生产使用的前提下，对环境造成污染的程度较低，有较大的市场需求，逐步完善堆取料机的使用性能和安全性能值得技术领域不断探索。不断优化堆取料机设备的使用性能和安全性能，可以增强技术人员的技术水平能力和市场竞争力。