散货码头堆取料机选型浅析

杨正貌 张婷

摘要：对港口散货作业一般分为装船码头和卸船码头，北方港口以装船码头较多，南方以卸船码头较多。装船码头主要由翻车机、堆取料机（或者堆料机；取料机）、装船机、地面皮带机等设备组成。在满足工艺功能和保证每个机构和部件安全作业要求的情况下。设备如何选型，并以最低的成本制造出满足业主需求的机器，是十分重要的。本文主要对堆取料机选型进行研究分析。

关键词：码头；堆取料机；选型；俯仰；走形；回转；悬臂；斗轮；

1.堆取料机选型思路的组成部分

1.1满足装船码头工艺功能要求。

1.2保证每一个机构、部件能最好的适其作业要求。

1.3极限有效的使用结构材料。

1.4综合分析机器的稳定性。

注：还应考虑用户特别需求，尤其是对老港口改造或扩容，设备选型时尽量减少备件的种类，为了保证设备安全可靠适当放大安全系数是有必要的，总之，以最小的成本，选出最合理可靠机型为目的。

2.堆取料机选型

2.1堆取料机的主要参数的确定。

2.1.1按照能力大小国内一般可分为小型、中型、大型，具体参数如下表：

2.1.2整机外形尺寸：

整机重量是由悬臂长度和额定能力决定，悬臂长度与料堆宽度有关一般悬臂长度R=料堆宽度—10m以内较为合理，鉴于整机稳定性的考虑，堆取料机的，悬臂长度和轨距必须有效的匹配，一般臂长与轨距之比选为5或6，对于整机稳定性较为合理。

2.2堆取料机俯仰机构选型。

目前国内俯仰机构型式主要有两种型式：

2.2.1跷跷板型式。具体如下图

优点：结构简单，工作可靠；机体的尾部半径小，并能达到完全平衡的目的。

缺点：因此种型式的俯仰机构尾部较长，避免尾配重与煤堆干涉，因此要求左右两侧煤堆的间距较大，r的长度受到主机整体布置条件的限制，因而配重的重量大，配重对主机稳定性起的作用不能充分发挥，主机的整体布置比较困难等缺点。比较适合小型堆取料机。

2.2.2四连杆活配重型式（黄骅港、曹妃甸国投煤码头等堆场大型设备均采用此种形式）。

优点：可以大大减少配重的重量，臂架系统布置方便，配重对主机的稳定性的作用有显著效果，比较适合中型和大型堆取料机。

此种型式的配重可以放在回转部分，也可放在俯仰装置上，但必须在通过臂架中心线的垂直平面内，正确设计俯仰机构的平衡，把回转机构的合力作用于回转环的中心线上，使用整机重量均匀分布在门腿上，这是非常重要的。同时在俯仰作业时使得上部结构重心位移最小，同时设计选型时使配重到其枢轴点之间的距离值相当于悬臂重心到其枢轴点的距离值，可以使得堆取料机在俯仰作业时使得上部结构重心位移最小。

2.3堆取料机走行机构选型

轨道设备走形机构型式一般可分为：四点四腿支撑、三点支撑、三点四腿支撑（变相点支撑）三种型式。（具体如下图）

走形机构的选型主要根据基础承载能力来选择，并采用超静定系统设计，将垂直力传递到轨道上。走形型式特点比较表如下

走行传动机构一般根据机器的迎风表面积和规定的工作风速至少有总轮数1/2为驱动轮，在许多场合甚至2/3为驱动轮目前普遍采用三合一（电机+制动器+减速机）有立和卧式两种布置，输出轴为套装式，结构紧凑无开式齿轮。

2.4旋转支承型式的确定，目前用于单机设备支承有两种型式。

由于堆取料机的回转速度并不高（一般最大旋转速度为0.2rpm左右），故对速度低的来讲寿命影响不大，而大直径轴承的损坏及其随后的更换从投资费用和影响生产的角度来看，都要付出很高的代价，制造周期长，轴承毛坯需按大型水压机进行锻造安装后需安密封严密，防止灰尘进入，要有良好的润滑条件。否则会大大缩短使用寿命、最大优点使整机重心降低受力好，稳定（整机）好等优点。旋转机构目前均采用分体式（卧式）电机+力矩联轴节+制动器+行星减速机及立式四合一电机+力矩联轴节+制动器+立式行星减速机。一般小型采用一个驱动装置对于大型S/R需要两个或两个以上驱动装置，对结构受力均匀有一定好处。

2.5悬臂结构。

2.5.1悬臂结构型式有采用圆管断面，维修抗扭性好，还有三角行桁架结构板梁结构等结构能降低重量，从结构力等观点桁架比较省料从制造维修观点，板梁结构比较简单，但用料较多，比桁架结构重25%左右，在堆取料机悬臂采用板梁和桁架结构较为合理。机器的轻巧和灵活性，随之而的可能是共振问题，即某些构件的应力增大，其固有频率接近于产生作业的某种频率，知道了绕度值，认识到斗轮及其驱动机构可能是臂架的激振机构，因此对臂架做振动分析并且对引起共振的可能性做出评价是非常必要的。堆取料机臂架的应力的产生主要是由以下几个方面组成：①由自重载荷。（即）②控取力和物料产生最大可变载荷共同作用所产生的应力。（即）③由极端事件（飓风、地震或事故塌方等）所导致偶然载荷。（即）

这样设计应力为屈服强度80%-90%，而自重载荷产生的应力是屈服强度的60%。

参照FEM（散货连续装卸机械设计规范）载荷组合表④疲劳比较设计，目前对受疲劳的结构的设计是允许一定的应力范围内，该范围取决于循环次数，应用最广的结构钢表现出明显弱点，由于疲劳强度的减少是由表面缺陷和引入接头所致（如黄骅港司机室掉落）。

2.6斗轮的结构与驱动方式（结构型式及主要参数确定）

2.6.1斗轮可分为有格式与无格式两种型式。

（1）有格式斗轮主要用于矿石。

（2）无格式斗轮一般用煤炭，不适用粘性物料，因为斗和环形空间物料过量压向环形槽（圆弧板）很可能会使粘性物料硬结。

无格式斗轮比有格式斗轮速度快，但由于圆弧板之间摩擦力，因此功率大约是有格式斗轮的2倍。

2.6.2斗轮速度确定

由于重力卸料，对挖取速度及控取阻力选定有一定要求，极限速度 其中r是斗轮切割圆的半径，g为重力加速，此时为理论控取速度实际是达不到，据有关资料当工作条件良好时，无格式（开式斗轮）斗轮的实际达到的最高控取速度为理论极限速度的50%左右，对粘性物料挖取速度更降低：

有格斗轮V=（0.25-0.31）F

无格式斗轮 V1=（0.33-0.51）F1

当物料为常规煤种时

无格式斗轮V=（0.38-0.51）F

当物料为矿石时

有格式斗轮V1=（0.33-0.46）F1

斗轮到达前臂架皮带机的最终卸出有一定的时间限制，接近2S-3S，为确保散料卸清斗轮必须有足够的慢的速度旋转，以使斗子里料有充裕时间到达卸料槽。

挖取阻力选定W=煤x （煤=15.5kg/cm ，矿石=30kg/cm）。

2.6.3斗轮驱动一般有两种方式：

①电机+液力耦合器、行星减速机等组成。

②低速大扭距液压马达。

液压驱动结构形式简单整机布置合理，运行故障少过载保护性能得到很好的改善。

由于液压系统平稳，惯性非常小（起/停）及反转对驱动无影响冲击力小等优点。

省掉减速机直接安装在被动轴上，体积小（紧凑）重量轻，噪音低安装方便，不用对中或其他设计安装设备维护工作量小，液压驱动整机重量可减轻约60t-70t（动力站5.5t+液压马达7t）=12.5t机械驱动（电机4.6t+行星减速机11.5t+液力耦合器2t）=18t设计简单内曲线径向柱塞式，是一个平衡无死区的设计内部配件只滚动运作，没有线性摩擦，效率高，启动扭力大，工作稳定最低速度可为零。

2.6.4斗轮轴为通轴（长轴）与半轴优缺点比较如下：

减小偏心扭矩办法

①斗轮驱动采用液压马达（低速大扭矩）比机械驱动偏心载荷小得多

②将司机室布置在斗轮另一侧

③悬臂中心向斗轮另一侧偏一点角度

④斗轮在水平面上向另一侧倾斜。

3.结语

在满足工艺功能和保证每个机构和部件安全作业要求的情况下，按照上述方式选出最合理可靠机型，并以最低的成本制造出满足业主需求的机器，不仅给同类的堆取料机选型提供借鉴，而且有重要的理论和实践指导意义，值得在港口单机设备中推广应用。

参考文献：

[1]港口技术.秦煤一期工程专辑.

[2]国外起重运输技术 一机部起重运输机械研究所.

[3]散货连续装卸机械设计规范.欧洲机械装卸联合会.

[4]欧洲起重机设计规范.1998年修订版 F.E.M标准.

[5]散状物料的混匀与堆取.中国铁道出版社.