宝钢煤场取料机平衡装置的结构分析

时间：2024-07-28

何海良

(宝钢股份炼铁厂，上海 201900)

1 前言

煤场取料机是根据用户需要取出贮存在料场指定地点的原燃料的一种可移动机械设备。宝钢一二期煤场三台取料机，系日本三井三池制造，其外型与构造如图1所示。

取料机由行走、旋回、俯仰及悬臂胶带输送机和采集装置五大部分组成。行走装置的行走轮由电机驱动，沿料场平行轨道前进或后退;旋回装置由二个旋转电机驱动星形轮系，使旋回装置做350°旋转取料;俯仰装置由电机驱动钢丝绳带动上部平衡装置使取料发生高度变化;悬臂胶带输送机将采集装置取来的物料送至地面胶带，而采集装置对料堆旋转取料。

上述五部分在正常工作时相互配合，实现料场物料的采集与输送任务。

图1 煤场取料机示意图Fig.1 Schematic diagram of reclaimer in coal yard

表1 宝钢股份炼铁厂一二期料场取料机主要规格表Table 1 Main specifications of reclaimer in coal yard in Iron Making Plant of Baosteel Co．，Ltd

2 取料机上部平衡装置

煤场取料机上部平衡装置在车体静止时起平衡作用，作业时因上部机械旋转与俯仰动作配合，整体设备重心变化，此时需配重由电机驱动实现整机平衡。上部平衡装置对于取料机来说十分关键，设计合理、配重添加适当不但可以调节整机重心，且对取料作业时的稳定也起着重要的作用，平衡装置如图2所示。

图2 平衡杆结构示意图Fig.2 Structural diagram of balance lever

当悬臂仰角变化时(从－10°～15°)，取料机平衡体间各参数(如角度、力臂等)会发生变化，以适应不同的工作状态，同时由电机驱动的钢丝绳拉力会发生变化，最终会达到新的稳定平衡。之后，电机抱闸抱死以免钢丝绳滑动。

本文针对这些变化，通过几何方法寻求出各参数值之间变化关联性，评估配重配置、各杆件受力，为设备正常运行提供参考。

3 悬臂处于最下方时的平衡梁结构受力分析

当悬臂处于最下方(－10°时)作业时，工作负荷应最大(可通过之后的性能核算来证明)，此时整机应处于平衡状态。如图3所示。上部的平衡机构以o1o2为固定座，以o1为支点实现整体平衡，对上部平衡机构进行整体受力分析。

施加力有:悬臂重G1，22.46 t;皮带上料重G2，3.78 t;斗轮重 G3，11.45 t;配重 G4，97 t;钢丝绳拉力F，待计算，但最大值不应超过电机最大功率时的拉力(14 t)。本文是当取料机作业时以动载系数为2来计算，并校验各点受力时钢丝绳拉力应小于设计值，并由此作为本文验算出发点，并忽略其它部分杆件质量(视为二力杆)。

公元前449年颁布的《十二铜表法》标志着罗马平民获得法律的基本保护，但依然存在“有产者(adsidui) ”和“无产者(proletarii) ”之分。[注]参见谢邦宇等编：《罗马法》，北京：群众出版社，1983年，第364-371页。这说明当时还有许多人是几乎没有地产的“无产者”。然而，无产者在身份上并不是奴隶，而是属于平民阶层，只是地位岌岌可危，随时都有可能丧失自由，沦为债奴。

角度有:∠o3o2o4初始角度γ0，∠o3o4o2初始角度γ1，配重三角梁与钢丝绳角度初始角度γ3。各受力点、方向及力矩如图3所示。

先以o1为支点，设作用在悬臂杆组合(悬臂及另外两杆组合)的顺时针力矩为M1，逆时针力矩为M2(即杆o3o4上的力与该杆至o1间力臂之积)，则有

图3 平衡装置简化图Fig.3 Simplification diagram of balance device

其中，D1=L6×cos(－10°)/2=24.45 m

其中，L1=13.723 m，为o1点至o3o4的力臂长

平衡时，有M1=M2，则反算出

再以配重三角梁为研究对象，以o2为支点，M3为顺时针力矩，M4为逆时针力矩，则有

其中，l2为o2至o3o4的力臂，L2=5.278 m。

其中，D4=5×cos(β－10)=4.78 m;D5=6.15×sinγ3=6.15×sin40.49=3.99 m;F为单根钢丝绳拉力(共8根)。

当取料机稳定时，有M3=M4，则可反算出

俯仰动作由电机驱动减速机，带动驱动卷筒来调节钢丝绳长短来实现。为确定钢丝绳输出时的最大额定拉力，需对该部进行校核，在动载作业时钢丝绳实际拉力应小于额定拉力，俯仰部分参数见表2。计算如下:

设俯仰电机输出转矩为 M电，共8根钢丝绳，每根上受力设为F，附加系数为1.1。

式中，P为电机功率，kW;Nn为电机转速，r/min。

滚筒输出转矩与钢丝绳拉力组成的转矩应相同，则有

计算结果与单根钢丝绳的推荐额定拉力一致。

当悬臂处于最下方作业时，单根钢丝绳受力结果为11.85×104N，小于额定拉力14×104N，俯仰系统处于安全状态。

表2 俯仰装置部分设计参数Table 2 Partial design parameters of pitching device

4 俯仰高度变化时平衡机构的调节过程

如图4所示，该平衡机构悬臂角度发生变化，虚线为变化后的位置，实线为悬臂梁处于最低位置即－10°。虚线为当悬臂提升θ角时，平衡装置中各杆件新的位置。图中各符号及意义见表3。

图4 平衡机构各杆件角度变化示意图Fig.4 Vangle variation of each rod for balance mechanism

当悬臂仰角变化时(从－10°～15°)，上述部分参数会变化，悬臂产生的顺时针力矩改变，配重与钢丝绳拉力产生的力矩也相应变化，以实现整体平衡。

设取料悬臂与水平夹角为 θ(－10°～15°)，据几何关系，上述角度的变化与水平夹角θ之间的关系如表4。

表3 符号意义Table 3 The meaning of symbols

表4 部分角度变化与水平夹角θ之间的关系Table 4 Partial angles versus horizontal included angle θ

表5为θ变化时，力臂长、部分弦长及上述角度的变化值。

表5 水平夹角θ变化时对应角度等参数的实际值Table 5 Actual values of angle and other parameters corresponding to variation of horizontal included angle θ

13 92.61 88.12 83.62 79.10 73.38 67.54 γ2/(°) 36.28 30.98 25.92 21.05 16.32 11.69 7.13 2.61 －1.88 －6.38 －10.90－16.62－22.46 L2/m 16.00 15.60 15.18 14.75 14.30 13.83 13.34 12.84 12.31 11.76 11.19 10.45 9.67 γ3/(°) 40.49 44.42 48.29 52.16 56.05 60.01 64.07 68.26 72.63 77.22 82.10 88.74 96.16拉力杆臂长/m 4.84 5.15 5.40 5.60 5.76 5.88 5.95 5.99 6.00 5.96 5.89 5.75 5.55配重臂长/m 4.78 5.88 5.96 6.00 5.98 5.92 5.81 5.65 5.45 5.19 4.88 4.43 3.88钢丝绳臂长/m 3.99 4.30 4.59 4.85 5.10 5.32 5.53 5.71 5.87 6.00 6.09 6.15 6.12 K 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 T2/104N 174.03 170.12 166.42 162.90 159.54 156.33 153.24 150.27 147.40 144.61 141.90 138.61 135.41 F总/104N 94.82 70.95 69.65 68.04 66.32 64.63 63.07 61.70 60.60 59.84 59.49 59.79 61.22 F/104N 11.85 8.87 8.71 8.50 8.29 8.08 7.88 7.71 7.58 7.48 7.44 7.47 7.65 γ1/(°) 126.28 120.98 115.92 111.05 106.32 101.69 97.

由表5可知，随着取料悬臂角度θ的变大，拉杆力臂长先大后小(在大水平位置时最大)，配重臂长变化与此类似，而钢丝绳拉力臂长度逐渐变大，拉力由大变小。因此，当悬臂角度为－10°时，单根钢丝强拉力最大，为118.5 kN。

因此，在取料机作业过程中，钢丝绳的拉力构成的力矩能够使上部平衡机构始终处于平衡状态。