斗轮机俯仰运动受力分析与方案优化

徐永南

摘 要：作为物料输送装备，斗轮机在港口、电厂、煤矿、化工等行业运用广泛，是提高物料输送效率，节约输送时间，降低输送成本的高效运输装置，但斗轮机常常在俯仰运动中出现臂架振动，产生原因一般有对受力状态掌握不清导致选择不合理配重，以及因系统设计不合理导致使用了不满足工作条件的液压元件。本文主要分析斗轮机在空载、取料以及堆料这三种状态下，俯仰运动下液压缸的受力情况，并针对斗轮机做俯仰运动时的受力特点探讨如何改进液压系统，解决臂架振动。

关键词：斗轮机；俯仰运动；臂架振动；受力分析

斗轮机是斗轮堆取料机的简称，被广泛应用在建材、煤矿、港口等货流量较大的场地中，是装卸物料的大型运输机器，其主机的俯仰运动是斗轮机的主要工作环节，且能量消耗较大，同时伴随有臂架的振动问题。为了解决振动问题，提高斗轮机工作寿命，提高装卸效率，以下将对DQ1250.35整体型斗轮机的俯仰运动在空载、堆料、取料状态下的液压缸受力进行分析，找出导致臂架振动的原因，并提出改进措施。

1液壓缸受力状况

斗轮机俯仰结构主要有液压变幅和机械变幅两种方式，目前广泛使用的是液压变幅。传统液压结构有能源消耗大、油源装置体积大、对油液敏感等不利因素，而交流变频技术的发展，产生了直驱式液压系统，具有对电机控制灵活、液压机构出力大等优点，与传统液压系统相比，节能效果明显，体积较小，对油污染不敏感，因此常适用于斗轮机。

斗轮机一般有整体和非整体两种，整体型的俯仰系统一般只设计为液压缸既受拉力也受压力；非整体型的主机俯仰系统通常将液压缸设计为既受拉力又受压力，或者只受压力。本文分析的DQ1250.35斗轮机为整体型，整体型俯仰系统中，液压缸常受到负压，会出现由受拉到受压的转变过程，这种特殊状况的出现导致若要保证臂架工作时运行平稳，要求液压缸出油腔具有足够压强。

1.1空载时液压缸受力状况

空载运行时，对斗轮机臂架转轴产生力矩作用的为部件m1～m16自重以及液压缸作用力 F。设各部件转动惯量为 Ji（i=1～16），根据刚体定轴转动定律，臂架上各部件的重力对转轴的合外力矩与液压缸作用力 F 对臂架转轴的力矩之和等于臂架对转轴的转动惯量与臂架在合外力矩作用下所获得的角加速度 α 的乘积。

式中：mi为各分载荷质量，t；Lmi为各分载荷重心到转轴距离，m；F 为液压缸输出力，N；αmi为载荷重心到转轴连线与水平线夹角；γ为液压缸作用力方向与对转轴垂直分力之间的夹角；L2为液压缸前臂架上的铰接点到转轴距离，m。臂架倾角与液压缸长度的关系如下：

液压缸作用力方向与液压缸对转轴垂直分力之间的夹角表示如下：

式中，θ 为液压缸与水平线夹角。以上各式共同构成空载时液压缸受力 F 与臂架倾角φ 的关系。

1.2 取料时液压缸受力分析

斗轮机取料时液压缸的受力计算与空载时的分析类似。不同之处在于计算时增加斗轮内物料重、挖取力、取料时皮带上物料重、斗轮积料等 4 个载荷，计算公式如下：

1.3 堆料时液压缸受力分析

斗轮机堆料时液压缸的受力计算与空载时的分析类似。不同之处在于计算时增加斗轮积料和堆料时皮带上料种两个载荷，计算公式如下：

2俯仰装置液压系统的改进

对斗轮机俯仰运动受力分析可以看到，在某些工作状态中，液压缸受到负负载，此时需要选择使用正确液压锁以保证液压锁稳定开启的液压系统设计，并选择适合的液压元件建立稳定的系统背压，从而保证俯仰运动的平稳运行。

2.1液压锁的改进

系统中选用内泄式液控单向阀作为液压锁。该液压锁在液压缸伸出状态下的开启条件为P1（A2-A1）+F≥A2/A3f。式中：P1为无杆腔压强，Pa；A1为无杆腔作用面积，m2；A2为有杆腔作用面积，m2；F为液压缸受力，N；A3为控制活塞截面积，m2；f为单向阀开启压力，包括弹簧力、摩擦力等，N。显然 A1>A2，由液压锁开启条件可知，液压缸伸出状态下，若液压缸受负负载时，液控单向阀无法正常反向开启。斗轮机俯仰运动时，液压缸受负负载时，将会出现断续的反向导通，进而导致俯仰运动臂架振动现象。外泄式液控单向阀的开启条件为：Pst≥[PB·A2-PA（A2-A4）]/A3+C。式中：Pst为先导锥阀开启需要的油口 X 的控制压力，Pa；PA为油口 A 的压力，Pa；PB为油口 B 的压力，Pa；A2为先导阀锥部截面积，m2；A3为控制活塞截面积，m2；A4为控制活塞杆截面积，m2；C 为系数，所选阀 C=0.5 MPa。

由以上分析可知，外泄式液控单向阀的开启压力 Pst与主油路压强的比值，主要取决于先导阀锥部截面积 A2与控制活塞截面积 A3的比值。由于控制活塞截面积 A3比先导阀锥部截面积 A2大的多，故外泄式液控单向阀在很小的控制油压下便可以反向导通。

因此若要解决斗轮机俯仰运动的不平稳问题，解决由液压锁断续产生的臂架振动问题将液压锁换为外泄式液控单向阀。

2.2 单向顺序阀代替单向节流阀

斗轮机俯仰运动液压缸受负负载时，液压缸回油腔需要建立背压，以维持受力平衡。单向节流阀建立的压强随流量变化很大，低速时无法建立有效背压以平衡负负载。由单向顺序阀流量压强特性曲线可知，其压强受流量变化很小，可以给液压缸回油腔建立稳定压力，保证系统受力平衡，避免因背压不稳定造成的臂架振动问题。

3结语

经济的不断发展使对矿产、建材、等需求量增多，与此同时，一个稳定高效的物料装卸设备极其必要，斗轮机能够很好地满足装卸需求，但在斗轮机的俯仰运动中常出现液压缸受力不当，臂架发生振动的问题，本文对斗轮机在空载、堆料、取料状态下的液压缸受力状况作出分析，发现在某些工作状态中，液压缸有受到负负载问题的影响，针对此问题，提出了使用外泄式液控单向阀作为液压锁的解决措施，和使用单向顺序阀建立稳定背压的解决方案，以此解决臂架振动问题的发生。

参考文献：

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