搜索
液压系统传动设计第5章斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计斗轮堆取料机是在现代化工业中对大宗散装物料进行连续装卸、堆取合一的高效轨道式装卸设备，主要应用于发电厂、煤矿、港口码头等地，是对煤炭、沙子、石子等散料进行输送、堆取作业的主要工程机械。斗轮堆取料机类设备通常包括堆取料机(视频“G斗轮堆取料机-泰富集团_高清.avi”)、取料机(视频“斗轮取料机-泰富集团_高清.avi”)、堆料机(视频“堆料机-泰富集团_标清.avi”)、混匀取料机、混匀堆料机等。其中堆取料机具有堆取功能，取料机、堆料机只有取料或堆料功能，混匀取料机与混匀堆料机除具有取料与堆料功能外还具有均化功能，以满足用户对物料均化的要求。使用最多的是堆取料机，其原因使此类设备功能较齐全，可满足大多数条件下的需要。(视频“世界上最大的挖掘机：斗轮式挖掘机Bagger293_高清.avi”)5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统5.1.1斗轮堆取料机结构斗轮堆取料机主要结构如图5-1所示，各部分功能如表5-1所示。5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求斗轮堆取料机整机质量一般在200t以上，其中上部金属结构重达150t。该设备可进行整机行走，并实现上部金属结构俯仰、臂架旋转、斗轮旋转、机内传动带运行等运动，从而完成手动和就地取料、堆料作业。组合机床动力滑台液压系统在实际的工作过程中，斗轮堆取料机是散料输送系统的始端或末端。斗轮堆取料机最常用的工艺流程为：(1)翻车机卸车→带式输送机系统→斗轮堆取料机堆料到料场→斗轮堆取料机取料→带式输送机系统→发电厂配煤仓(装船机装船(翻车机_标清.avi、翻车机试翻（电厂）_标清.avi、曹妃甸装船机鸟瞰_标清.avi、装船机未使用除尘器效果广州市赣丰机械设备有限公司工程案例_标清.avi)(2)卸船机卸船→带式输送机系统→斗轮堆取料机堆料到料场→斗轮堆取料机取料→带式输送机系统→装火车系统装车)(车载式螺旋卸船机_标清.avi、链斗式连续卸船机_高清.avi、卸船机在运行_高清.avi、抓斗挖掘机卸煤_标清.avi)斗轮堆取料机需要堆料时，地面带式输送机上来的物料经尾车头部滚筒卸入料斗中。料斗位于堆取料机回转中心，可在任意位置将物料供给悬臂传动带机构。利用回转机构和俯仰机构的配合运动，可将悬臂传动带抛出的物料卸到轨道两侧的整个堆场上。俯仰机构用来调节堆料的高度。进行取料作业时，启动斗轮机构使斗轮转动，斗轮便切入料堆挖取物料，靠自重使物料从斗内落到固定料槽上，进而滑到悬臂传动带机构上，然后经中心料斗送入地面带式输送机上。5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统5.1.2斗轮堆取料机工作装置液压系统斗轮堆取料机的工作装置包括俯仰机构、回转机构和斗轮驱动机构。(1)俯仰机构液压系统俯仰机构作用是调节堆料、取料时悬臂高度，并支撑斗轮和臂架重量，使斗轮可以再不同高度堆取料。悬臂俯仰机构采用钢丝绳卷扬驱动方式或液压缸驱动方式。钢丝绳卷扬驱动方式采用钢丝绳通过滑轮组绕到俯仰卷筒上，电动机经减速器驱动卷筒旋转，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒中放出，从而改变悬臂幅度。由于液压驱动装置能较好地适应外载荷变化和进行无极调速，较机械传动机构体积小、结构简单、运行平稳、使用维修方便，故液压缸驱动斗轮机应用越来越广泛。斗轮堆取料机体积庞大，输出力也大。由于悬臂较长，负载力大，因而在取料过程中会产生较大惯性力。其液压缸驱动方式通常由两个并联液压缸同时、同步动作，俯仰机构中的悬臂配重和斗轮等部件构成液压缸活塞组件伸缩运动时的超越负载。5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统某斗轮堆取料机俯仰机构液压系统原理如图5-2所示。1-放油截止阀；2-直回式回油过滤器；3-吸油过滤器；4-加热器；5-空气滤清器；6-电接点压力表；7-恒压变量泵；8-电动机；9-电磁溢流阀；10-单向阀；11-三位四通电磁换向阀；12-电接点压力表；13-压力表；14-两位三通电磁换向阀；15-双向液压锁；16-叠加式双联单向节流阀5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统(2)回转机构液压系统回转机构作用通过驱动装置驱动斗轮堆取料机斗轮悬臂围绕着旋转中心做水平方向回转运动，与俯仰机构和行走机构配合实现斗轮堆取料机在某一固定地点或某一工作范围内对物料的转运。回转机构驱动装置结构形式通常采用行星齿轮驱动方式和液压马达驱动方式。采用行星齿轮驱动方式的回转机构存在着传动效率低、齿轮易磨损、过载不可保护等缺点。液压马达驱动方式的回转机构液压系统原理如图5-3所示。5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统(3)斗轮驱动液压系统斗轮液压驱动系统是驱动斗轮回转，从而完成取料和堆料作业的工作装置。斗轮及其驱动装置通常安装在斗轮堆取料机的悬臂带式输送机前端，这样的结构布局会带来两个方面的问题：一是斗轮及其驱动装置的质量相对于整体质心会形成巨大的自重力矩，斗轮及驱动装置的质量大小直接影响着悬臂架的设计机构、尺寸和平衡架上的配重质量，乃至整机质量；二是传动系统的振动和斗轮堆、取料时产生的振动激励会引起悬臂架及平衡架的剧烈振动，进而影响整机的工作稳定性。因此，在设计斗轮驱动装置时，要合理布局，优化斗轮及其传动装置结构，尽量减小该部分质量。本章的设计就是针对斗轮驱动的设计。5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统5.1.3斗轮堆取料机工作要求(1)堆料作业要求悬臂梁仰角固定，定点堆料一次后达到料堆高度，而后大车走行定值距离，调整料堆落点，继续沿斜坡堆料。这种堆料方法在料场初始堆料时，悬臂可低些，以免粉尘太大造成环境污染，随着堆料增高，悬臂逐渐上仰，当达到规定的料堆高度后，悬臂的仰角固定，然后靠慢速行走方式依次堆料。因此在取料作业时，悬臂俯仰系统应具有一定的平衡锁紧功能，从而对斗轮悬臂梁进行仰角调整和固定。行走机构应具有良好的无极调速功能，以保证这一作业过程中实现慢速走行和走行速度的调整。由于斗轮堆取料机俯仰装置的工作负载有时使液压缸伸出，有时使液压缸缩回，且工作负载均有垂直方向的分量，所以液压回路需采用液控单向阀和节流阀组成的平衡回路。工作时液压泵在斗轮堆取料机工作期间应不间断持续运行，俯仰动作由电磁换向阀控制；为防止悬臂发生失稳和超压现象，液压系统还应设有安全闭锁装置及超压保护装置；同时，还要保证液压系统具有可靠地密封，使整个液压系统不得有漏油现象。5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统(2)堆料作业要求斗轮堆取料机在取料时采用以回转为主的分层取料方式。其过程是取上部第一层→几个走行进尺与回转几个单程→…第N层→几个走行进尺与回转几个单程，如此反复达到连续取料目的。在这一作业过程中，要求对斗轮悬臂回转系统和斗轮驱动系统进行合理的控制和调节，以控制斗轮悬臂回转范围及斗轮转动速度。为实现斗轮回转运动，对液压系统有如下要求：(1)在液压马达的驱动下，斗轮悬臂应能在水平方向做两个方向的转动，即液压马达需要换向。(2)悬臂在转动时，由于悬臂转动，离轨道不同距离的物料其堆取料的速度不一样。离轨道越远其堆取速度越慢，为了能使斗轮保证每次为满斗，故要求悬臂的转动有一个先快后慢的调节过程，因此液压系统所采用变量泵驱动液压马达，以实现速度调节。(3)为达到足够的堆取料工作范围，斗轮悬臂应足够长，形成典型的细长悬臂结构，因此在回转过程中容易出现颤振现象，回转液压系统的设计应尽量保证斗轮悬臂回转过程中的平稳性。5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统5.1.4斗轮驱动液压系统的设计要求(1)为了使传送带正常工作，即传动带不能超过其额定负载，也不能使传送带某部分空载，所以斗轮的转动应为匀速运动，并每次取料时应为满斗，调高传送带的利用率，以提高堆取料率。(2)由于斗轮机工作时，利用斗轮堆取物料，其外负载惯性力大，因此本系统采用闭式循环系统。闭式液压系统即液压泵的进出油口与液压马达的进出油口分别用管道连接，液压马达的回油不回油箱而直接进入液压泵的吸油口，形成闭合回路。(3)液压马达与液压泵的楼油管应单独回油箱，以避免造成其内腔油压过高，致使其轴端油封损坏而产生漏油。(4)设置必要的过载保护装置，可采用安全阀，其回油应进入液压泵的吸油，不会到油箱。一旦斗轮驱动马达过载，安全阀开启后，该闭式回路油液应能得到及时补充；而当负载下降以后，可避免由于压力无法迅速回升，致使驱动无力。5.1.5本设计实例的设计参数(1)斗轮所受到的总的圆周切割力为29000N；(2)斗轮直径为5.2m。5.1斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求组合机床动力滑台液压系统5.2.1切割阻力矩T圆的确定斗轮在实际工作过程中既要绕自身轴心在垂直平面内旋转，做圆周切割运动，又要随回转平台在水平面内做圆周运动。因此，物料作用在斗轮上的力有：在切削平面内沿斗轮外缘切线方向的圆周切割阻力F圆、沿直径方向的法向力F法以及垂直切削面的侧向力F侧，受力分析如图5-4所示。5.2工况分析组合机床动力滑台液压系统如果回转平台静止不动，斗轮只在垂直平面内做圆周切割运动，可以认为斗轮只受到圆周切割阻力F圆和法向力F法的作用。假定法向力指向轴心，则作用在斗轮轴上的负载扭矩就完全是由F圆引起的。这也是液压马达所需克服的阻力矩。由斗轮上的圆周切割阻力F圆引起的作用在斗轮轴上的负载扭矩可表示为5.2工况分析组合机床动力滑台液压系统5.2.2斗轮边缘切向速度的确定当斗轮尺寸一定、斗容确定后，增加切向速度可以提高生产效率。但切向速度的提高受到两个条件的限制，一是卸料过程，二是铲斗磨损程度。斗轮要实现依靠物料自身重力的作用来完成卸料，则作用在物料上的离心力必须小于物料的重力以及物料之间的相互作用力和物料与铲斗壁之间摩擦力的合力。由于卸料过程中物料之间相互作用力和物料与铲斗壁之间摩擦力与物料重力方向相反，因此有5.2工况分析5.2工况分析如果用一个小于1的系数k’把物料之间的相互作用力F1和物料与铲斗壁之间的摩擦力Ff归算到重力Fg，则有即如果令系数k=sqrt(k’)，则有取重力与离心力相等的极限情况作为设计原则，此时极限切向速度为式中，k是一个小于1的修正系数，与物料特性以及工作状态等有关，一般k的取值范围为0.2~0.65，本设计取k=0.5。组合机床动力滑台液压系统5.2工况分析当斗轮切向速度v小于极限速度vlim时，斗轮中垂直上方的物料所受的离心力小于重力，这样才能保证可靠卸料。考虑到物料之间的相互作用力以及物料与铲斗壁之间的摩擦力、粘着力等因素对物料自卸时的影响，实际斗轮切向速度应比极限速度小得多。根据已知设计参数和前述分析，计算得到斗轮边缘最大切向速度为vlim=2.53m/s。斗轮转速n可计算为因此，取斗轮最大转速为9r/min。组合机床动力滑台液压系统5.3.1电动机和减速器驱动方式采用电动机驱动斗轮的设计方案是近几年常用的驱动形式，如图5-5所示。这种驱动方式通常采用一级伞齿轮和二级行星齿轮传动进行减速，因此，局部结构比较紧凑。但由于采用了电动机作为动力，液力耦合器作为连接器件，且伞形齿轮传动副在啮合过程中易发热而引起温升，因此还需要一台齿轮泵单独进行局部润滑，所以总体结构外形尺寸较大，总体重量也较重。5.3初步确定方案组合机床动力滑台液压系统5.3.2液压马达和减速器驱动方式为克服电动机驱动方式需要液压泵单独进行润滑从而造成驱动系统尺寸和质量大的缺点，斗轮驱动装置还可采用液压马达加二级行星齿轮减速器驱动的方式，如图5-6所示。该方案由于采用了减速器，因此液压马达可以选用重量轻、低成本的普通高速液压马达。但该设计方案由于在高速液压马达和斗轮之间仍需要采用减速器进行减速，因此结构仍然较复杂，重量较重。5.3初步确定方案组合机床动力滑台液压系统5.3.3低