斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计(液压系统经典设计实例)

5.2 工况分析
如果用一个小于1的系数k’把物料之间的相互作用力F1和 物料与铲斗壁之间的摩擦力Ff归算到重力Fg，则有
即 如果令系数k=sqrt(k’)，则有
取重力与离心力相等的极限情况作为设计原则，此时极 限切向速度为 式中，k是一个小于1的修正系数，与物料特性以及工作 状态等有关，一般k的取值范围为0.2~0.65，本设计取k=0.5。
液压系统传动设计 第 5章 斗轮堆取料机斗轮驱动 液压系统设计
5.1 斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求
斗轮堆取料机是在现代化工业中对大宗散装物料进行连续装 卸、堆取合一的高效轨道式装卸设备，主要应用于发电厂、煤矿、 港口码头等地，是对煤炭、沙子、石子等散料进行输送、堆取作 业的主要工程机械。 斗轮堆取料机类设备通常包括堆取料机(视频“G斗轮堆取料 机-泰富集团_高清.avi”)、取料机(视频“斗轮取料机-泰富集团 _高清.avi”)、堆料机(视频“堆料机-泰富集团_标清.avi”)、混 匀取料机、混匀堆料机等。其中堆取料机具有堆取功能，取料机、 堆料机只有取料或堆料功能，混匀取料机与混匀堆料机除具有取 料与堆料功能外还具有均化功能，以满足用户对物料均化的要求。 使用最多的是堆取料机，其原因使此类设备功能较齐全，可满足 大多数条件下的需要。 (视频“世界上最大的挖掘机：斗轮式挖掘机 Bagger 293_高 清.avi”)
5.2 工况分析 组合机床动力滑台液压系统
如果回转平台静止不动， 斗轮只在垂直平面内做圆周 切割运动，可以认为斗轮只 受到圆周切割阻力F圆和法向 力F法的作用。假定法向力指 向轴心，则作用在斗轮轴上 的负载扭矩就完全是由F圆引 起的。这也是液压马达所需 克服的阻力矩。 由斗轮上的圆周切割阻 力F圆引起的作用在斗轮轴上 的负载扭矩可表示为
5.1 斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统
5.1.1 斗轮堆取料机结构 斗轮堆取料机主要结构如图5-1所示，各部分功能如表5-1所示。
5.1 斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统
5.1 斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统
5.1 斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统
5.1.2 斗轮堆取料机工作装置液压系统 斗轮堆取料机的工作装置包括俯仰机构、回转机构和斗轮驱动 机构。 (1)俯仰机构液压系统 俯仰机构作用是调节堆料、取料时悬臂高度，并支撑斗轮和臂 架重量，使斗轮可以再不同高度堆取料。 悬臂俯仰机构采用钢丝绳卷扬驱动方式或液压缸驱动方式。 钢丝绳卷扬驱动方式采用钢丝绳通过滑轮组绕到俯仰卷筒上， 电动机经减速器驱动卷筒旋转，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒中放出 从而改变悬臂幅度。 由于液压驱动装置能较好地适应外载荷变化和进行无极调速， 较机械传动机构体积小、结构简单、运行平稳、使用维修方便，故 液压缸驱动斗轮机应用越来越广泛。 斗轮堆取料机体积庞大，输出力也大。由于悬臂较长，负载力 大，因而在取料过程中会产生较大惯性力。其液压缸驱动方式通常 由两个并联液压缸同时、同步动作，俯仰机构中的悬臂配重和斗轮 等部件构成液压缸活塞组件伸缩运动时的超越负载。
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(2)堆料作业要求 斗轮堆取料机在取料时采用以回转为主的分层取料方式。其 过程是取上部第一层→几个走行进尺与回转几个单程→…第N层→ 几个走行进尺与回转几个单程，如此反复达到连续取料目的。在 这一作业过程中，要求对斗轮悬臂回转系统和斗轮驱动系统进行 合理的控制和调节，以控制斗轮悬臂回转范围及斗轮转动速度。 为实现斗轮回转运动，对液压系统有如下要求： (1)在液压马达的驱动下，斗轮悬臂应能在水平方向做两个方 向的转动，即液压马达需要换向。 (2)悬臂在转动时，由于悬臂转动，离轨道不同距离的物料其 堆取料的速度不一样。离轨道越远其堆取速度越慢，为了能使斗 轮保证每次为满斗，故要求悬臂的转动有一个先快后慢的调节过 程，因此液压系统所采用变量泵驱动液压马达，以实现速度调节。 (3)为达到足够的堆取料工作范围，斗轮悬臂应足够长，形成 典型的细长悬臂结构，因此在回转过程中容易出现颤振现象，回 转液压系统的设计应尽量保证斗轮悬臂回转过程中的平稳性。
5.2 工况分析 组合机床动力滑台液压系统
5.2.1 切割阻力矩T圆的确定 斗轮在实际工作过程中 既要绕自身轴心在垂直平面 内旋转，做圆周切割运动， 又要随回转平台在水平面内 做圆周运动。因此，物料作 用在斗轮上的力有：在切削 平面内沿斗轮外缘切线方向 的圆周切割阻力F圆、沿直径 方向的法向力F法以及垂直切 削面的侧向力F侧，受力分析 如图5-4所示。
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(2)回转机构液压系统 回转机构作用通过驱动 装置驱动斗轮堆取料机斗轮 悬臂围绕着旋转中心做水平 方向回转运动，与俯仰机构 和行走机构配合实现斗轮堆 取料机在某一固定地点或某 一工作范围内对物料的转运。 回转机构驱动装置结构 形式通常采用行星齿轮驱动 方式和液压马达驱动方式。 采用行星齿轮驱动方式 的回转机构存在着传动效率 低、齿轮易磨损、过载不可 保护等缺点。 液压马达驱动方式的回 转机构液压系统原理如图5-3 所示。
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(3)斗轮驱动液压系统 斗轮液压驱动系统是驱动斗轮回转，从而完成取料和堆料 作业的工作装置。 斗轮及其驱动装置通常安装在斗轮堆取料机的悬臂带式输 送机前端，这样的结构布局会带来两个方面的问题：一是斗轮 及其驱动装置的质量相对于整体质心会形成巨大的自重力矩， 斗轮及驱动装置的质量大小直接影响着悬臂架的设计机构、尺 寸和平衡架上的配重质量，乃至整机质量；二是传动系统的振 动和斗轮堆、取料时产生的振动激励会引起悬臂架及平衡架的 剧烈振动，进而影响整机的工作稳定性。 因此，在设计斗轮驱动装置时，要合理布局，优化斗轮及 其传动装置结构，尽量减小该部分质量。 本章的设计就是针对斗轮驱动的设计。
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某斗轮堆取料机俯仰机构 液压系统原理如图5-2所示。 1-放油截止阀；2-直回式回油 过滤器；3-吸油过滤器；4-加 热器；5-空气滤清器；6-电接 点压力表；7-恒压变量泵；8电动机；9-电磁溢流阀；10单向阀；11-三位四通电磁换 向阀；12-电接点压力表；13压力表；14-两位三通电磁换 向阀；15-双向液压锁；16-叠 加式双联单向节流阀
5.2 工况分析 组合机床动力滑台液压系统
5.2.2 斗轮边缘切向速度的确定 当斗轮尺寸一定、斗容确定后，增加切向速度可以提高生产 效率。但切向速度的提高受到两个条件的限制，一是卸料过程， 二是铲斗磨损程度。斗轮要实现依靠物料自身重力的作用来完成 卸料，则作用在物料上的离心力必须小于物料的重力以及物料之 间的相互作用力和物料与铲斗壁之间摩擦力的合力。由于卸料过 程中物料之间相互作用力和物料与铲斗壁之间摩擦力与物料重力 方向相反，因此有
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5.1.4 斗轮驱动液压系统的设计要求 (1)为了使传送带正常工作，即传动带不能超过其额定负载， 也不能使传送带某部分空载，所以斗轮的转动应为匀速运动，并 每次取料时应为满斗，调高传送带的利用率，以提高堆取料率。 (2)由于斗轮机工作时，利用斗轮堆取物料，其外负载惯性力 大，因此本系统采用闭式循环系统。闭式液压系统即液压泵的进 出油口与液压马达的进出油口分别用管道连接，液压马达的回油 不回油箱而直接进入液压泵的吸油口，形成闭合回路。 (3)液压马达与液压泵的楼油管应单独回油箱，以避免造成其 内腔油压过高，致使其轴端油封损坏而产生漏油。 (4)设置必要的过载保护装置，可采用安全阀，其回油应进入 液压泵的吸油，不会到油箱。一旦斗轮驱动马达过载，安全阀开 启后，该闭式回路油液应能得到及时补充；而当负载下降以后， 可避免由于压力无法迅速回升，致使驱动无力。 5.1.5 本设计实例的设计参数 (1)斗轮所受到的总的圆周切割力为29000N； (2)斗轮直径为5.2m。
斗轮堆取料机整机质量一般在200t以上，其中上部金属结构重 达150t。该设备可进行整机行走，并实现上部金属结构俯仰、臂架 旋转、斗轮旋转、机内传动带运行等运动，从而完成手动和就地取 料、堆料作业。
5.1 斗轮堆取料Байду номын сангаас斗轮驱动液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统
在实际的工作过程中，斗轮堆取料机是散料输送系统的始端 或末端。斗轮堆取料机最常用的工艺流程为： (1)翻车机卸车→带式输送机系统→斗轮堆取料机堆料到料场 →斗轮堆取料机取料→带式输送机系统→发电厂配煤仓(装船机装 船(翻车机_标清.avi、翻车机试翻（电厂）_标清.avi、曹妃甸装 船机鸟瞰_标清.avi、装船机未使用除尘器效果 广州市赣丰机械 设备有限公司工程案例_标清.avi) (2)卸船机卸船→带式输送机系统→斗轮堆取料机堆料到料场 →斗轮堆取料机取料→带式输送机系统→装火车系统装车)(车载 式螺旋卸船机_标清.avi、链斗式连续卸船机_高清.avi、卸船机 在运行_高清.avi、抓斗挖掘机卸煤_标清.avi) 斗轮堆取料机需要堆料时，地面带式输送机上来的物料经尾 车头部滚筒卸入料斗中。料斗位于堆取料机回转中心，可在任意 位置将物料供给悬臂传动带机构。利用回转机构和俯仰机构的配 合运动，可将悬臂传动带抛出的物料卸到轨道两侧的整个堆场上。 俯仰机构用来调节堆料的高度。 进行取料作业时，启动斗轮机构使斗轮转动，斗轮便切入料 堆挖取物料，靠自重使物料从斗内落到固定料槽上，进而滑到悬 臂传动带机构上，然后经中心料斗送入地面带式输送机上。
因此，取斗轮最大转速为9r/min。
5.3 初步确定方案 组合机床动力滑台液压系统
5.3.1 电动机和减速器驱动方式 采用电动机驱动斗轮的设计 方案是近几年常用的驱动形式， 如图5-5所示。 这种驱动方式通常采用一级 伞齿轮和二级行星齿轮传动进行 减速，因此，局部结构比较紧凑。 但由于采用了电动机作为动力， 液力耦合器作为连接器件，且伞 形齿轮传动副在啮合过程中易发 热而引起温升，因此还需要一台 齿轮泵单独进行局部润滑，所以 总体结构外形尺寸较大，总体重 量也较重。
5.2 工况分析 组合机床动力滑台液压系统
当斗轮切向速度v小于极限速度vlim时，斗轮中垂直上方 的物料所受的离心力小于重力，这样才能保证可靠卸料。考 虑到物料之间的相互作用力以及物料与铲斗壁之间的摩擦力、 粘着力等因素对物料自卸时的影响，实际斗轮切向速度应比 极限速度小得多。 根据已知设计参数和前述分析，计算得到斗轮边缘最大 切向速度为vlim=2.53m/s。 斗轮转速n可计算为
5.1 斗轮堆取料机斗轮驱动液压系统设计要求 组合机床动力滑台液压系统
5.1.3 斗轮堆取料机工作要求 (1)堆料作业要求 悬臂梁仰角固定，定点堆料一次后达到料堆高度，而后大车走 行定值距离，调整料堆落点，继续沿斜坡堆料。这种堆料方法在料 场初始堆料时，悬臂可低些，以免粉尘太大造成环境污染，随着堆 料增高，悬臂逐渐上仰，当达到规定的料堆高度后，悬臂的仰角固 定，然后靠慢速行走方式依次堆料。因此在取料作业时，悬臂俯仰 系统应具有一定的平衡锁紧功能，从而对斗轮悬臂梁进行仰角调整 和固定。行走机构应具有良好的无极调速功能，以保证这一作业过 程中实现慢速走行和走行速度的调整。 由于斗轮堆取料机俯仰装置的工作负载有时使液压缸伸出，有 时使液压缸缩回，且工作负载均有垂直方向的分量，所以液压回路 需采用液控单向阀和节流阀组成的平衡回路。工作时液压泵在斗轮 堆取料机工作期间应不间断持续运行，俯仰动作由电磁换向阀控制； 为防止悬臂发生失稳和超压现象，液压系统还应设有安全闭锁装置 及超压保护装置；同时，还要保证液压系统具有可靠地密封，使整 个液压系统不得有漏油现象。