斗轮机俯仰运动受力分析与方案优化

陈亮，邓兆印

（1.北京特种机械研究所，北京 100143；2.长春发电设备总厂，长春 130000）

0 引言

斗轮堆取料机简称斗轮机，它是一种连续、高效的散装物料装卸输送设备，广泛应用于矿山、港口、钢厂、电厂、化工、建材等行业［1-2］。

斗轮机俯仰运动过程中时常会出现臂架振动现象，这一方面是因为对受力情况掌握不准确导致配重选择不合理；另一方面是因为系统设计不合理；选取了不满足工况的液压元件。本文对斗轮机俯仰运动液压缸受力进行了分析，介绍了如何选择配重，并对液压元件的选择提出改进建议。

1 斗轮机俯仰运动受力分析

本文仅对DQ1250.35 整体型斗轮机在空载、取料、堆料三种工况下液压缸受力情况进行分析。

1.1 空载时液压缸受力

斗轮机臂架上不同部件的重量及位置见文献［3］。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。

图1 液压缸受力分析图

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：

斗轮机臂架倾角φ 变化范围为-11.2°～12.8°，根据以上公式计算可得配重为82 t 时液压缸（双缸）受力与臂架倾角φ 的关系，如图2 所示。

图2 液压缸受力与臂架倾角关系

液压缸受力F 在系统空载运行时出现了正负交界的零点，零点φ＝7.2°，即空载上升倾角越过φ＝7.2°后，液压缸受力由受压转变为受拉，液压缸受到负负载作用。

2 俯仰装置液压系统的改进

通过对斗轮机俯仰运动的受力分析可知，液压缸在一些工况下将受到负负载，此种情况下液压系统的设计应正确选择液压锁以确保液压锁开启稳定，并正确选择液压元件为系统建立稳定背压，以确保运动平稳。针对斗轮机俯仰装置液压系统原理如图3 所示，本文提出两点改进措施。

图3 俯仰装置液压系统原理图

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［4］：

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：

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。

因而选用外泄式液控单向阀作为液压锁可使斗轮机俯仰运动平稳可靠，避免因液压锁断续开启引起的臂架振动问题。

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。

由图4 可知，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。

图4 流量-压强特性曲线

3 结语

本文对斗轮机俯仰运动液压缸受力情况进行了分析，指出液压缸在某些工况下受到负负载的问题，针对现有液压系统存在的问题，提出了外泄式液控单向阀代替内泄式液控单向阀作为液压锁的方案，以及由单向顺序阀代替单向节流阀建立稳定背压的方案，有效解决了斗轮机臂架振动问题。

［1］邵明亮，于国飞，耿华，等.斗轮堆取料机［M］.北京：化学工业出版社，2007：1-97.

［2］吕明荟，李毅民.斗轮堆取料机的发展趋势［J］.港口装卸，2008（2）：6-9.

［3］陈亮.斗轮机主机俯仰直驱式液压系统静动特性及控制的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

［4］朱瑞滨，靳军，王广怀.液控单向阀与双向液压锁的正确选用［J］.机床与液压，2001（9）：27－29.