臂式斗轮堆取料机液压俯仰能力提升

王 强

（扬州泰富特种材料有限公司，江苏扬州 225200）

0 引言

斗轮堆取料机作为重要的现代化装卸和输送设备，已广泛应用于港口、电厂、冶金企业等大型散状物料原料存储场[1]。斗轮堆取料机与料场地面胶带输送机组成机械化连续、高效的物料输送系统，使料场物料的堆取料作业更加机械化、自动化。

1 堆取料机结构特点

本文研究的DQLZ3000/4500 41.5 型臂式斗轮堆取料机主体机构（图1）：主体上部机构采用三角结构平衡、双油缸液压俯仰式臂架，回转平台及门座主体为环行结构，行走机构与门座布置为四腿三支承型式。回转上部偏心设计为基本对称于回转中心，回转平台上没有固定配重。

图1 DQLZ3000/4500·41.5 型臂式斗轮堆取料机主体机构

2 俯仰系统参数与原理

2.1 俯仰系统参数

俯仰系统参数：俯仰油缸为UY120IR250/160-1 型；仰俯机构型式为液压双油缸；驱动装置型式为双作用油缸；液压系统工作压力小于18.5 MPa；液压系统公称压力23 MPa；仰俯速度小于5 m/min（斗轮中心）；大臂仰角+9°；大臂俯角-10.3°；电机功率30 kW。

2.2 俯仰机构运行原理

本机采用了整体俯仰形式，即臂架上下俯仰与上部结构件一起联动，驱动系统采用液压驱动，主要由液压站（包括电机、油泵、电液换向阀、油箱等）、配管及液压油缸组成。液压驱动单元主要包括油箱、电动泵及组件、电磁换向阀、安全阀等。其工作原理是：当需要挖取不同的物料层或堆高物料时，通过司机室发出指令，启动电机、油泵、控制换向阀，向油缸供油使油缸伸缩从而实现斗轮和斗轮臂的俯仰。

本机构的传动形式为：电机→液压工作站→油缸。油缸伸缩速度可调范围为0～12 mm/s；斗轮头部俯仰速度小于5 m/min；上俯仰角度为+9°；下俯仰角度为-10.3°。在臂架俯仰的极限位置设有两级限位保护，确保臂架的安全。

同时，该液压系统设有闭锁设施，在油缸非工作期间内油缸每24 h 伸缩变化小于5 mm。俯仰时工作平稳、可靠，可防止斗轮臂失稳。对整个系统和元件进行了1.25 倍设计压力的耐压试验，无漏油现象，有效防止内漏造成的斗轮臂下降，避免影响堆、取料作业的稳定运行。

3 问题分析

3.1 现状分析

经过10 年生产作业使用，此堆取料机整体结构出现以下问题：雨季、潮湿天气状况下，矿粉粘结成块附着在堆取料机取料斗、斗轮体、前臂皮带机支架等部位，增加了前臂架的重量，导致取料机的俯仰油缸承受超额负重。俯仰油缸初始提升时，在接近地面低位时不动作，需用吊机带动提升400～500 mm 高度后，俯仰油缸才能缓慢抬升动作。

另外，生产作业指导要求定期对堆取料机进行积料冲洗、清理，但又产生叠加问题：人工清理效率不能满足各矿种间的高频率切换；而水冲洗的清理方式效率高，但对堆场的矿料含水量影响较大，不满足矿料水分指标的要求。

3.2 影响因素及调整措施

3.2.1 地基下沉因素

原料场因多年物料的堆载，料条、轨道地基基础出现自然沉降，但因追求矿粉物料的堆存能力最大化，堆取料机取料时降低了斗轮体的下降限位，由原设计地面20 cm（轨下0.5 m）调整至0 点位，使原油缸的起始点前移，造成了油缸启动时内部油液运行对自由杆顶升推力不足。

3.2.2 配重平衡因素

堆取料机上部机构配重架已安装108 t 配重，配重架卡槽中间调整配重块重量在3 t 左右。根据现场实际使用状态，已出现堆取料机上部机构前后平衡点改变，原配重已经失衡。

增加配重的方式进行调整平衡：在整个上部机构支撑下，前臂架41.5 m 的外伸距与26.5 m 的配重架。在受力分析后逐步增加调节配重块2.2 t，俯仰起升效果不明显。同时考虑到回转平台内部回转支撑的正压整体受力，不再继续增加配重来调整整机前后平衡。

3.2.3 油缸本体因素

液压油缸使用时各阀门、管接口无外漏现象，压力测试稳定。拆解检查油缸内壁磨损、密封圈变形等情况，也未发现明显失效。更换同型号新油缸后，使用效果改善不明显。

3.2.4 液压系统的因素

液压系统的压力有恒压变量泵建立的液压力实现泄压回路、压力控制回路、流量控制回路。叠加式平衡阀组件、油泵、管路运行稳定，调节平衡阀至系统压力最大值28 MPa，俯仰起升效果改善不明显[2]。

4 堆取料机俯仰液压系统受力检测

4.1 系统测试

测试过程：

（1）使堆取料机大臂处于水平部位。

（2）俯仰油缸上下腔分别连接1 只精密油压表。

（3）分别记录臂架慢慢升起停止和下放停止时的稳态油压。

（4）通过油压计算出油缸处的推力N2，再根据图纸上相关尺寸通过油缸受力N2推算出接地力N1。

4.2 受力计算

油压测试数据记录及计算如下（1 MPa=100 t/m2）：

油缸处受力为N2，则：

式中，P下、P上、A下、A上分别为下腔和上腔的压力与截面积。其中：

式中，n 为油缸数量，本机油缸数量为2，油缸活塞直径d1=250 mm，活塞半径r1=0.125 m，活塞杆直径d2=160 mm，活塞杆半径r2=0.08 m。

计算各取料机的油缸受力N2（表1）。

表1 油缸压力测试 MPa

由以上关系推算出对应堆取料机平均接地力为18.5 t。

4.3 承载分析

通过测试发现接地力明显过大，将导致工作停机时（臂架皮带上有物料的情况）臂架抬起困难，可通过增加配重的方式减小接地力，从而减轻液压系统油缸工作压力。也可通过调整液压缸有杆腔与无杆腔之间的压力差消除抬起困难，但并不能减小接地力（图2）。

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图2 堆取料机接地力计算示意

图2 中，L1=41 500 mm；L2=19 011 mm，配重G 与接地力N1的关系为：

由式（4）可知，要通过增加配重减小接地力，每减小1 t 接地力需要增加2.18 t 配重。

5 俯仰油缸改造及液压系统提升方案

根据雨季天气料场料潮湿粘料特点，在俯仰油缸初始动作处于受力最大的状态，对俯仰系统起升状态时粘附的积料进行收集并称重，测得斗轮体积料为5.2 t。

5.1 技术参数确定

根据原油缸及增加的配重计算，单个油缸受力约150 t。系统额定压力为25 MPa，实际使用压力为22 MPa。具体参数调整后如下：

（1）系统额定压力25 MPa，原推力为122 t，加大后推力为176 t。

（2）系统额定压力25 MPa，原拉力为72 t，加大后拉力为126 t。

（3）前后安装距不改变，安装孔不改变，油口尺寸不变。

（4）加大后油缸重量在原油缸基础上增加约800 kg。

5.2 油缸设计

5.2.1 缸径的选择

5.2.2 杆径的选择根据设计手册和行业标准，计算杆径d=D×（0.62～0.65）=186～195 mm，圆整确定杆径为200 mm。

5.2.3 密封的选择

考虑俯仰油缸倾斜安装，露天使用，工况比较恶劣。所以活塞杆活塞密封均采用进口品牌V 组系列密封。此密封形式为5 片一组，对于工况恶劣的环境使用效果很好。

5.2.4 支承导向的选择

考虑俯仰油缸倾斜安装，侧向力比较大，所以杆端采用自润滑轴承作为导向，自润滑轴承具有摩擦因数小，耐磨耐腐蚀，最大承载荷为250 N/mm2，使用寿命长。另外为了增加油缸导向性能，油缸内部活塞端增加了一段450 mm 长的行程隔套，从而更好地保证油缸动作时的稳定性。

综上所得，现将原UY120IR250/160-1700 型俯仰油缸的缸径加大至300 mm，调整为UY120IR300/200-1700 型，其技术参数为缸径300 mm；杆径200 mm；行程1700 mm；工作压力25 MPa；测试压力32 MPa；缓冲行程70 mm（图3）。

图3 俯仰油缸设计

5.3 液压俯仰机构安装测试

（1）液压系统通电，油路自循环检查及各阀块连接检查。

（2）抬升俯仰5～10 cm 臂架，往复5～10 次清除液压缸内空气，至液压系统正常工作。

（3）俯仰运行测试，检验有无干涉部位，修正处理。

依据设计将臂架俯仰到最高点（用长卷尺测量斗齿的离地距离）安装俯仰最高极限限位：

（1）以斗轮臂仰起时斗轮的斗子的最下位置至轨道面上平面13 m，俯下至轨道上平面以下0.5 m 为准各10 次，调准俯仰限位开关位置并确保安全可靠。

（2）用仪器或小绳将斗轮的斗齿系住并量出13 m 时，碰限位开关停止动作，同时调整电磁溢流阀的调压螺钉，将压力表调至18.5 MPa。

（3）俯下至轨面以下约0.5 m 碰限位开关停止，当上、下位置限位准确后，试调单向节流阀根据秒表测量在13.5 m 内仰起要多少时间，根据时间和距离计算俯仰速度是否在3.0～5.0 m/min 范围。

（4）在液压变幅调试过程中首先只能向上升100～120 mm左右（以臂架前端辅助支承架上平面为基准），慢升、慢下试验4～5 次，一直到调准为止。

设备安装后在空载状态下，吊装配重时油缸显示数值：

（1）前臂架水平放置，油缸受拉，有杆腔压力-2.85 MPa。

（2）臂架向上仰9.0°，油缸受拉，有杆腔压力-13.47 MPa。

（3）臂架向下俯-10.3°，油缸受压，无杆腔压力5.23 MPa。

6 结论

通过将DQLZ3000/4500 41.5 型臂式斗轮堆取料机的问题分解，结合受力分析和有效的仪器检测、核算，新设计增大型俯仰油缸的方案符合使用要求，同时满足机构受力要求，经过半年跟踪监测，设备达到了预期的使用效果，保证了堆取料机作业的正常稳定运行。