连续卸船机臂架俯仰液压油缸密封选择及机构设计

毛 兵 訚耀保

1 同济大学机械与能源工程学院 2 上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

链斗式连续卸船机以其环保、高效、智能等优势在散货码头得到广泛应用。连续卸船机主要由链斗提升驱动机构、臂架伸缩机构、回转机构、臂架回转机构、臂架俯仰机构、大车运行机构等构成[1]。其中臂架俯仰机构主要用于起吊推耙机,因此俯仰角度较大,一般为-18°～+35°。随着卸船能力的增加,臂架自重和后端配重较大,臂架俯仰负载也越来越大。为增加卸船效率并缩短进出仓时间,一般设置臂架筒体中心速度为15 m/min。上述要求导致臂架俯仰行程长、载荷大且速度快,给臂架俯仰油缸和系统设计提出了更高要求。

为此,以某一散货码头连续卸船机为例,分析各工况下油缸的负载情况,设计最合理的密封形式和油缸结构,并对油缸压杆稳定性做出校核,为连续卸船机液压系统设计与优化提供技术支撑。

2 臂架俯仰不同工况下的载荷

该3 600 t/h链斗式连续卸船机,设计作业船型为30万t级兼顾35～40万t级散货船卸料作业。以散货船空载高水位状态下起吊推耙机时的角度为臂架俯仰角度上限,以散货船半载高水位和满载高水位状态的角度为臂架俯仰工作角度上限,以散货船半载低水位状态确定臂架的俯仰工作角度下限。根据最大船型吃水水位可得出,臂架俯仰上下极限角度为-17°～31.5°(见图1)。

1.空载高水位 2.半载低水位图1 链斗式连续卸船机总体布置图

求得连续卸船机臂架的上下极限角度后,根据机构总图相关尺寸可以计算出油缸在臂架俯仰各个角度时对应的安装距。在臂架俯仰上下极限位置,适当考虑余量,得出俯仰油缸的最大和最小安装距和行程。油缸和上部机构计算简图见图2,计算原点为配重梁变幅铰点O,X轴为臂架方向(陆侧指向海侧),Z轴竖直向上,Y轴符合右手定则,臂架回转半径为R,油缸运行在XOZ平面内。当油缸完成伸缩动作时,以油缸铰点B为原点,带动链斗机上部结构和BE筒体部分完成摆动。

1.前拉杆 2.后拉杆 3.中间撑杆 4.前平衡梁 5.俯仰油缸 6.配重梁 7.臂架 8立柱图2 链斗式连续卸船机上部机构简图

以臂架俯仰零度为基准,通过机构固定尺寸测量油缸上铰点A的X轴和Z轴坐标,分别记为XA0和ZA0,测量油缸下铰点B的X轴和Z轴坐标,分别记为XB0和ZB0。根据俯仰不同的角度可以计算出臂架在不同角度时油缸上铰点的坐标,油缸下铰点B在臂架俯仰过程中固定不动,因此下铰点B坐标不变。根据各个角度时油缸上下铰点AB的X轴和Z轴坐标,计算液压油缸长度见表1。

表1 液压油缸铰点坐标

根据表1的计算结果,考虑上下极限位置余量,选取油缸行程为7 100 mm,最大安装距为16 175 mm,最小安装距为9 075 mm。

连续卸船机作业分为4种工况:无负载无粘附;无负载有粘附;有负载有粘附;吊推耙机有粘附。计算各工况下在俯仰不同角度时液压油缸的实际载荷见表2(拉伸为“+”,压缩为“-”)。

表2 俯仰油缸不同工况下各角度下实际载荷

由表2可以看出,可分别以无粘附无负载的受拉特性和有粘附有负载的受压特性来校核液压油缸的拉压稳定性。

3 油缸密封选择及机构设计

活塞杆密封采用多组件的活塞杆密封圈,包含1个压力环和至少3个V型密封圈及1个支撑环(见图3)。

1.活塞杆 2.防尘罩 3.防尘圈 4.压盖 5.导向套 6.V型圈 7.O型圈 8.挡圈 9.导向带 10.缸筒图3 俯仰油缸活塞杆密封形式

活塞密封采用多组合件活塞密封组,由1个压环,1个支撑环和1～2个V型活塞密封圈组成,主要应用于苛刻和恶劣的工作条件(见图4)。V型密封圈组可以用于一侧承压的活塞,也可用于活塞两侧承压的密封系统。

1.O型圈 2.挡圈 3.活塞1 4.V型组合密封 5.支撑环 6.导向带 7.活塞2 8.螺母 9.缸底图4 俯仰油缸活塞密封形式

4 油缸压杆稳定性校核

该连续卸船机油缸规格为630/360-7100。根据计算的极端拉压负载可知,臂架俯仰角度越高,油缸伸出安装距越长,油缸受力逐渐变为受拉;臂架俯仰角度越低,油缸缩回安装距越短,油缸受力逐渐变为受压。

液压缸承受轴向压缩载荷时,当活塞杆直径d与活塞杆的计算长度l之比大于10时,应校核活塞杆的纵向抗弯强度或稳定性[3]。考虑臂架俯仰升降过程中载荷大小和方向均存在变化,偏心载荷难以计算,根据项目经验和适当放大安全系数,按照无偏心载荷非等截面计算法计算,公式如下:

(1)

式中,Pk为活塞杆纵向弯曲破坏的临界载荷;k为形状系数;E为活塞杆材料弹性模量;J为活塞杆的转动惯量,mm4;l为液压缸的安装长度,m。计算臂架在有负载有粘附情况下各个工作角度时的临界载荷,对比作业时实际工作载荷,得出安全系数(见表3)。

表3 臂架变幅油缸稳定性校核(非等截面法)

根据上述计算表格可知,在臂架俯仰16°时安全系数最小,此时的安全系数为3.69,符合安全系数为2～4的要求,因此该油缸选型合理,且压杆稳定。

5 结语

分析了某型连续卸船机臂架俯仰油缸行程、负载等参数的计算方法,并进行了大吨位、长行程、高速度工况下油缸密封形式的比较选择。计算校核了油缸的压杆稳定性,验证了该散货码头项目油缸选型的合理性,为该项目油缸设计与选型提供了技术支持。