整体平衡式臂式斗轮堆取料机液压俯仰驱动功率计算

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 1 O 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 1 L 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 2 L2一 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 I t 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 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 4 0 8 2 齿轮泵一 般取 0 6 3 0 8 7 柱塞泵一般取 0 8 1 0 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