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整体平衡式臂式斗轮堆取料机 液压俯仰驱动功率计算 张亮 陈永接 任志刚 1北方重工集团有限公司 沈阳 1 1 0 0 4 1 2山东省生建重工有限责任公司 淄博2 5 5 1 2 9 摘要介绍了整体平衡式臂式斗轮堆取料机结构形式 ，分析了俯仰机构的运动特性，详述 了液压俯仰机 构主要技术参数的确定。 关键词臂式斗轮堆取料机 ；整体平衡式 ；俯仰机构；运动特性 ；液压缸；电动机；功率；计算 中图分类号 U 6 5 3 ． 9 2 8 ． 5 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 4 0 4 0 0 2 6 04 Ab s t r a c t T h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e s t r u c t u r a l t y p e o f o v e r a l l - b a l a n c e d a r i a t y p e b u c k e t w h e e l s t a c k e r a n d r e c l a i me r ， a n a l y z e s t h e m o t i o n c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e l u f fi n g m e c h a n i s m，a n d d e s c ri b e s d e t e r m i n a t i o n o f m a j o r p a r a m e t e r s o f t h e l u ffin g me c h a n i s m． Ke y wo r d s a 瑚 t y p e b u c k e t - w h e e l s t a c k e r a n d r e c l a i me r ；o v e r a l l b a l a n c e d；l u ffi n g me c h a n i s m ；mo t i o n c h a r a c t e r i s - t i c；h y d r a u l i c c y l i n d e r ；mo t o r ；p o we r ；c a l c ula t i o n 0 引言 臂式斗轮堆取料机 以下简称斗轮机 属于 大型、连续、高效 的散 料装卸机 械 ，广泛应 用于 大型散货码 头、钢铁 、水泥 、火 力发 电和矿 山等 企业 的散料输送系统 中，是散料输送系统 的核心。 随着液压传动和控制技术 的不断成熟 ，主机俯仰 机构 已由原来 的钢丝绳卷扬驱动形式逐渐发展 到 由液压驱动形式实 现。液压系统有 动作灵活 、控 制简单、起停平稳、结构小巧 、组装方便、可靠耐 用等优点 ，所以液压驱动形式得到了广泛的应用。 斗轮机按平衡 形式分为活动 平衡式 、固定 平 衡式和整体平衡式 ，其 中整体平衡式泛指整体 液 压平衡式。俯仰 机构为整体液压平衡式结构形 式 的斗轮机 ，俯 仰动作具有独特 的运动特性 ，根 据 其运动特性对液压 系统 主要技术参数 进行 精准可 靠 的计算十分必要 。本文提 出了整体液压平衡 式 斗轮机液压俯仰驱 动功率的计算方法 ，其他 形式 的斗轮机可参照此方法进行。 1 整体液压平衡式结构简介 整体液压平 衡式结构 ，即斗轮臂 和平衡重 围 绕同一个轴心 俯仰 主铰点 摆动 ，以达到整体 的平衡 ，如图 1 。 一 2 6 1 ．斗轮臂2 ．液压缸3 ． 俯仰主铰点4 ．平衡重 图 1 整体液压平衡式斗轮机示意图 2 俯仰 机构运动特性分析 从整体液压平衡式 斗轮机俯仰机构 运动原理 分析 ，此机构可简化为摆 动导杆机构 ，而液压缸 符合对中式摆 动液压缸运动原理 ，位 置参数及运 动参数计算见图 2及表 1 。 3 液压系统主要技术参数的确定 3 ． 1 液压缸活塞速度的确定 在不影响斗轮机 自身工作 效率 的情 况下 ，在 实际设计 中，常 限制斗 轮机构 中心在俯仰 时的最 高线速度 ，一般为 4～ 6 m ／ ra i n 。斗轮臂长 的斗轮 机设备可取高值 ，通 常设定 斗轮机构 中心俯 仰时 最高线速度为 5 m ／ mi n 。 起重运输机械 2 0 1 4 4 1 ．斗轮臂上极限位置2 ．斗轮臂水平位置3 ．斗轮臂下极限 位置4 ．斗轮机构外径5 ．液压缸下铰点6 ． 俯仰主铰点 7 ．回转 中心线8 ．液压缸上铰点 图2 俯仰机构简化为摆动导杆机构 根据表 1 对 中式摆动液压缸计算公式可导出 1 由图 2可知 ，当斗轮臂 由下极限位置 到上 极 限位置 ，传动角 ≤9 O 。 是逐渐减小的 ，所以 c o s - g 是增函数 ，s i n y 是减函数。也就是说斗轮机 构在下俯至下极 限位置 时 有最小值 ，在上仰 至 上极限位置时 有最大值，即 5 m ／ m i n 。此时 传动角y 可由表 1中公式计算得出，也可由 C A D 绘图直接测量得出，这样根据式 1 液压缸活塞 、 的速度 也就确定 了。 3 ． 2 液压缸主参数的确定 就 目前液压技术 和液压元 器件材 质情况 ，综 合考虑质量和经济指标 ，一般认为选取 3 5 MP a左 右的公称压力最经济 ，但 条件允许 时，通常还是 应该选用较低 的工作压 力。液压机 、大 中型工程 机械、起 重运 输 机 械执 行元 件 工 作压 力 一 般 为 2 0～ 3 2 MP a 。过高的工作压力会使 系统起停 冲击 过大、内泄漏 量大 ，系统发热 和温升严 重 ，噪声 加大 ，维护 困难 。斗轮机俯仰机 构液压系统从 经 济性、实用 性 、可行 性 等 方 面考 虑通 常选 取 1 6 MP a ，少数选择 2 5 MP a的公称压力等级 。 表 1 对中式摆动液压缸计算公式 ⋯ 1O-。-p ⋯ 1 一A2 p ” 1 2 ’ 一 2 从 初 始 和 终 止 位 置 1 一A 动 l 和 2 。 ” 一 2 摇 A L 2／ L 1 ，P 1L 1 ／ d， r ／ d，Pf L i ／ d 杆 P 2 L 2 ／ d A p l ，A L ／ L 1 位置 参数 工作摆角 l 2 2 一 I 见图 液压缸行程 S ． Sl 2L2一 々 给定 P 和 O- ⋯P O- 1 ⋯ 一 p o r 一1 传动 一 2 p ’ “ ‘ 2 p 角 y 一C O S q ． 1 给定 和 O- ‘ “ ＼ s 一‘ √ sm p 运动 摇杆角速度 t O 1 V 2 ／ r s i n y ， l 1 L R 参数 液压缸角速度 t O t O 2 I 2 ／ L It a n y￡ 注r 为摇杆长度 ，b为机架长度， 为从动摇杆的位置角， 为传动角 液压缸轴线与摆杆的传力夹角 ， 为活塞的平 均相对运动速度 ，￡ 为斗轮机构俯仰半径 约等 于斗轮机设备 回转半径 。 3 ． 2 ． 1 液压缸活塞直径 的计算 为了保证斗轮机俯仰 液压系统 的稳定性 ，通 常对液压缸 的性能有如下要求 当一个 液压缸故 起重运输机械 2 0 1 4 4 障时，另一个液 压缸 应仍 能保持 斗轮 臂 的位 置 。 这样可 以通过液压缸允许 承受 的极 限压力来计算 最小液压缸 活塞直径。各 国规 范中多数规定液压 一 2 7 缸允许最大压力 也是动态试验压 P ≤ 1 ．5 pN D≥ - m r l o - 6 2 ≥ 一 ． 。 2 式中D为活塞直径 ，1 i l ；P 为液压 系统额定 压力 ，MP a ；F 。 为斗轮机构下俯非正常挖掘 超 载挖 掘 时，液 压缸 无杆 腔 活 塞上 的载 荷 单 缸 ，N。 3 ． 2 ． 2 液压缸活塞杆直径的计算 3 式 中d为活塞杆直径 ，i n ；F 为斗轮机空载 上仰极 限位置 时 ，液压 缸 有杆 腔 活 塞 上 的载 荷 单缸 ，N 。 3 ． 2 ． 3 液压缸工作压力的计算 斗轮机 构 下俯 正 常挖 掘 时，液 压 缸 的压 力 无杆腔为 4F1 p 式中F 为斗轮机构下俯 正常挖掘时 ， 缸无杆腔活塞上的载荷 单缸 ，N。 4 3 ． 3 ． 2 电动机功率计算 斗轮机俯 仰机构液压系统 实际工作所需 总流 量一般视为一个不变量 ，而液压缸 的压力是 随负 载变化的，另外，负载受多种因素影响，计算数 值只能是相对准确， 这 样为了系统安全，液压泵 驱动功率按下式计算 P ㈩ 式中P 为P ． 和 P 中的最大值 ，MP a ；Q 。为 液压系统实际工作所需总流量 ，L ／ rai n ； ， 7 。 为液压 泵总效率，叶片泵一般取 0 ． 6 40 ． 8 2，齿轮泵一 般取 0 ． 6 3 0 ． 8 7 ，柱塞泵一般取 0 ． 8 10 ． 8 8 ；叼 为从液压泵出口到液压缸的机械效率 ，一般取 0 ． 9 ～ 0 ． 9 5 ，主要 由系统复杂程度来决定系数的大小 。 这里需要说 明的是 ，斗轮 机运行工况 十分 恶 劣 露天 、高粉尘 、冰冻物料 、风载荷等 ，主机 俯仰机构工作载荷相 当大，且 冲击 频繁 ；另外 在 计算液压缸负载时，需要考虑俯仰机构各铰点的 机械效率及平衡重允许 的计算误 差等 因素 ，所 以 斗轮机主机俯仰机构液压 系统 ，电动机选 型不按 计算循环周期 的等值功率进行选择。 液压4 应 用实例 斗轮 机 空 载 上 仰 至极 限 位 置 时 ，液 压 缸 的压 力 有杆腔为 p z 4 5 F 、 3 ． 3 液压泵和电动机功率的确定 3 ． 3 ． 1 液压系统实际工作所需总流量 Q 。 c tn 导 D 1 o 6 式中c 为系数 ，取 1 ． 1 整个回路 中总的泄 漏量按液压缸输入流量的 1 0 ％计算 ；m为液压缸 数量 ；t J 为液压缸活塞的速度 ，m ／ m i n 。 通过液压系统实际工作所需总流量 及最高 工作压力即可选 出液压泵 的规格型号 ，另外 ，轴 向柱塞泵结构 紧凑 ，径 向尺 寸小 ，惯性 小 ，容积 效率高 ，斗轮机主机俯仰液压站及 尾车变 幅液压 站通常使用轴向柱塞泵。 一 2 8 一 某项 目 臂 式 斗 轮 堆 取 料 机 规 格 型 号 为 D Q I A0 0 0 ／ 3 0 0 0 4 5 ，原 始参 数 初 始和终止位置 8 ． 4 。 ， 3 1 ． 6 。 ；液压缸最大和最小安装距 离 L 2 5 ． 3 7 9 i n ，L 1 3 ． 1 6 4 i n ；摇杆长度 r 5 ． 2 7 2 m；机架长度 b 4 ． 5 1 7 I T I ；斗轮臂下极限位置和上 极限位置时传动角 5 7 ． 5 4 。 ， 5 0 ． 1 7 。 ；斗轮 机构俯仰半径 L 4 5 ． 0 2 m；斗轮机构下俯正常挖 掘时，液压缸无杆腔活塞上的载荷 单缸 F ， 1 2 2 3 k N；斗轮 机构 下俯非 正 常挖掘 超 载挖 掘 时 ，液压缸无杆腔活塞上 的载荷 单缸 F h 岫 1 3 2 6 k N；斗轮机空载上仰至极限位置时液压缸有杆 腔活塞上的载荷 单缸F 1 0 7 9 k N；选定系统 额定压力 P N 1 6 MP a 。 4 ． 1液压缸速度的确定 由式 1 有 0． 45 m／mi n 一 一 4 5． 0 2 起重运输机械 2 0 1 4 4 4 ． 2 液压缸活塞直径的计算 根据公式 2 有 。 ≥ 鲁 ／ 4 x 2 x l 3 2 6 x l0 3 X 10 _6 0 ． 3 7 5 LJ● 即选 择 活 塞 直 径 为 4 0 0 m m 的标 准 内 径 液 压缸 。 4 ． 3 液压缸活塞杆直径的计算 根据式 3 有 √ 0 ． 4 一 错 1 5 X 16 X 10 - o ． 2 13 ． 兀 。 按液 压 缸 选 型 手 册 即可 选 择 活 塞 直 径 为 4 0 0 m m、活塞杆直径为 2 0 0 m m的标准液压缸。力 士乐标准缸型号为 C D L 1 MP 5 ／ 4 0 0 ／ 2 0 0 ／ ％ 。 当液压缸选 型确 定后 ，还需要对 活塞最大允 许行程进行验算。 斗轮机构 下 俯 正 常 挖 掘 时 ，液 压 缸 的压 力 无杆腔为 4F1 p， 9 ． 7 4 MP 0 4 ． Z丁 c Z 1 0 。 斗轮机空载上仰至极限位置 时液压缸的压力 有杆腔为 4Fz p 0 4 0 2 Z 1 0 -1 1 ． 5 MP a ． 一 ． 丁 c 。 4 ． 4 液压泵和电动机功率的确定 4 ． 4 ． 1 液压系统总流量的计算 根据式 6 有 c 。 m 1 0 1 ． 1 2 詈 0 ． 4 0． 4 5 】 0 】 2 4 3 I ,／ mi n ‘ 选择力士乐标准 A 1 0 V S O 1 0 0 D R ／ 3 1 R一 l 起重运输机械 2 0 1 4 4 N O 0变量柱塞泵 ，标称压力 2 8 MP a ，峰值压力 3 5 MP a ，额定转速 2 2 0 0 r ／ m i n ， 公称排量1 0 0 m l ／ r 。 4 ． 4 ． 2 电动机功率计算 根据式 7 有 P _ -3 2 ． 7 k W6 0 Z0 81 Z 0 9 ‘6 0 ‘ P 。叼 ． ． ～ 即选择 Y系列 4级笼型异步 电动机 ，额定功 率 3 7 k W，额定输出转速 1 4 7 0 r ／ mi n 。 5 结语 本文从臂式斗轮堆取料机整体平衡式液压俯 仰机构运动特性 出发 ，以臂式斗轮堆取料机 实际 工况液压缸工作负载 为基础 ，阐述 了液压俯仰 驱 动功率计算方法 ，需 要说明的是本文所述液压 系 统 回油路上是无背压 的，当液压系统 回油路存 在 补油和换油背压 时，液压俯 仰驱动功率 的计算 需 考虑背压 的影 响。实践验证 ，本文计算及各种 系 数 的选取是可行 的，对工程上的实际应用具有 一 定 的参考价值。 参考文献 [ 1 ]臂式斗轮堆取料机型式和基本参数[ S ] ． 北京 中国标 准出版社 ，2 0 1 1 ． [ 2 ]斗轮堆 取料 机术语 [ s ] ． 北 京机械 工业 出版社 ， 2 00 8． [ 3 ]臂式斗轮堆取料机技术条件[ S ] ． 北京机械工业出版 社 ，2 0 1 0 ． [ 4 ]张质文 ．起重机设计手册 [ M] ． 北京中国铁道出版 社 ，2 0 0 1 ． [ 5 ]成大先 ．机械设计手册[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 6 ]李松晶，王清岩 ．液压系统经典设计实例[ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ，2 0 1 2 ． [ 7 ]刘勤国 ．斗轮堆取料机使用 、维护与检修[ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ．2 0 1 0 ． 作 者 张亮 地 址 辽宁沈 阳于洪 区太湖街 4 52 4 6 2 邮 编 1 1 0 0 4 1 收稿 E t 期2 0 1 3 0 72 4 2 9