回转俯仰式散料输送设备称重和重心位置求解

黄振国

华电重工股份有限公司



回转俯仰式散料输送设备称重和重心位置求解

黄振国

华电重工股份有限公司

散料输送设备安装后须测量设备重量和重心位置。由于设备整体称重无法得到下部固定结构和上部转台及俯仰结构的重量精确值，只能按理论统计推算获取比较粗糙的重心位置数据。本文提出一种可以精确求取回转俯仰式散料输送设备上、下部分重量及其重心位置的思路和计算方法。

散料输送设备; 回转; 俯仰; 称重; 重心

DOI： 10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.003

1　前言

散料输送设备诸如斗轮机、堆料机等安装结束后，由于缺少对设备重量的称重环节，设计者难以获得设备竣工时的真实重量数据，也就无法对整机的重心数据进行计算验证。现有手段主要依靠纯粹的理论统计计算，然而根据实际工程经验，设备竣工的重量往往会超出理论设计值。过去测量上部俯仰重心位置用的较多的方法是接地力测定[1]，但各厂家设备机型和出力不同，业内很难去规定具体的数值，另外此方法中用于计算的上部结构重量数据也是基于图纸理论统计的，因此获取的数据不太精确。

近年来在执行海外项目过程中，依据国外标准如FEM、AS的要求，在设备安装完毕后，需对设备进行称重并校核重量是否会超过许用误差以验证设计，使得设计成为一种闭环控制。因此称重是设计者了解设备竣工状态的一种重要手段。

2　称重

目前获取设备准确重量最有效的方法就是将设备用千斤顶进行顶升，用称重传感器单元测量数据。对称重传感器单元的精度值要控制在±1%以内，校准越精确越好。

下部结构若为四支点刚性结构，可对一侧轨道的两个支腿进行称重以获取较为准确的数据；下部结构若为三支点结构，可对单个支点进行称重。

在过去执行的几个海外项目中，称重仅被执行为安装结束后的整机称重。在后来的平衡调试中发现，这样称重仅获得整机的重量，无法获取下部、上部转台及俯仰系统的重量，进而无法求取重心的高度坐标。且在俯仰平衡调试中，只能依靠液压系统对俯仰范围内油缸力的测绘，与理论设计值比较，得出一个基于理论值的配重调整值。显然，这样的结果离精确值仍有差距。

为了改善这一状况，建议在以下两个阶段也进行称重：①安装下部及附属结构完毕；②安装转台及附属结构完毕。通过这两次称重数据和整机称重，我们就可获取准确的三部分重量数据，用以分析各自及整机重心位置。

3　重量和重心计算

3.1坐标系建立

为了分析三部分的重心位置，可建立如图1、图2、图3所示的坐标系。

图1　下部结构坐标系

图2　上部结构坐标系

图3　俯仰系统坐标系

本文以四支点结构作为研究对象，三支点可类似处理。

3.2参数定义及坐标系转换

计算参数定义：G为整机重量；G1为下部结构重量；G2为转台结构重量；G2′为上部结构重量；G3为俯仰系统重量。

(x1,y1,z1)为下部结构重心位置；(x2,y2,z2)为转台结构重心位置；(x3,y3,z3)为俯仰系统重心位置；(x2′,y2′,z2′)为上部结构重心位置。

e1为回转中心到支点形心的距离；e2为俯仰铰点到回转中心的距离；h1为回转大轴承中心到轨面高度；h2为俯仰铰点到回转大轴承中心距离。

FA，FB，FC，FD为各支腿力的测量值。

R1，R2，R3为 坐标系1、2、3中重心在XY平面内的极径。

θ1，θ2，θ3为坐标系1、2、3中重心在XY平面内的极角。

ρ为坐标系3中俯仰重心的极径。

φ为坐标系3中俯仰重心的极角(极径与XY平面夹角)。

β为测试时俯仰从初始位置变化的角度值。

a为一侧轨道上两支腿距离一半;b为轨距一半。

坐标系2与坐标系1之间的转换关系：

(1)

坐标系3与坐标系1之间的转换关系：

(2)

坐标系2,3之间的转换关系

(3)

3.3重心计算

通过第1次安装下部及附属结构完毕的称重，可以获得G1值和FA1、FB1、FC1、FD1值。按极坐标法，由式(4)、(5)可以求出下部重心的x1、y1值，z1只能通过三维模型软件中钢结构部分的重心高度和编制相应excel表格统计其他部件求得较为准确的值。

(4)

由图1可得以下关系式：

(5)

通过第2次安装转台及附属结构完毕的称重，可以获得G2值和FA2、FB2、FC2、FD2值。同样按极坐标法，由式(6)、(7)可以求出转台重心的x2、y2值，z2同上也只能通过三维软件中钢结构部分重心高度和编制相应excel表格统计求得较为准确的值。

(6)

由图1、图2可得以下关系式：

(7)

整机称重可选取臂架垂直轨道时臂架俯仰角度水平和上仰β角度2个状态。在臂架俯仰水平状态下可获得G2′值和FA2′、FB2′、FC2′、FD2′值。同样按照极坐标法，由式(8)、(9)可以求出可以求得上部结构重心的x2′、y2′值，z2′需待z3求得后推出。

(8)

由图1、图2可得以下关系式：

(9)

同理再测得下俯和上仰极限位置的支腿力，可计算出相应的x2′和y2′值并绘制上部回转结构在自重下的重心变化趋势。

通过臂架水平状态下可获得G3值和FA3、FB3、FC3、FD3值。通过臂架上仰β角度状态下可获得G3′值和FA3′、FB3′、FC3′、FD3′值。同样按极坐标法，由式(10)、(15)可以求出两种状态下俯仰系统重心的x3、y3、z3值。

(1)臂架水平状态

(10)

由图1、图2、图3可得以下关系式：

(11)

(2)臂架上仰β角度状态

(12)

由图1、图2、图3可得以下关系式：

(13)

通过以上步骤可求得式(10)和式(12)中R3和R3′值，并可得下式：

(14)

求得φ值后，代入式(10)或式(12)，即可求出ρ值，依据式(10)可求z3。z2′可按下式求得

(15)

综上，在各部分重心位置求得后，可在坐标系1中按下式计算整机臂架水平且垂直轨道状态的重心位置(x,y,z)。同理臂架其他状态下也可类似处理。

(16)

4　结语

通过改善称重方案能获得比较精确的设备重量，设计者可以根据预先编制完整的excel表格迅速计算出设备的重心位置，为后续设计验证提供较为精确的数据。

[1]衣万,张志明,史学佳. 塔架式斗轮堆取料机俯仰系统重心位置的测定与分析[J].起重运输机械 2002(8)：16～17.

A Novel Solution of Weighting and Gravity Center for the Rotary Pitching Equipment Conveying Bulk Material

Huang Zhenguo

Huadian Heavy Industries Co., Ltd.

Measurement of the weight and the gravity center is important when installing the bulk material conveying equipment. Since it is hard to obtain the accurate weights of bottom mounting structure, superior turntable and pitch structure correspondingly by directly weighing the whole equipment, gravity position data of these parts are usually crudely achieved by theoretical statistic calculation. In order to solve this problem, this paper proposes a calculating method to accurately acquire the weight and the gravity center of upper and lower parts of the rotary pitching equipment conveying bulk material .

Bulk material handling equipment; rotation; pitch; weighting; gravity center

2016-03-18

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.004

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