悬臂式斗轮机俯仰故障分析与研究 |
| 2013-02-27 12:21 作者：马光辉 宋文亮 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，悬臂式斗轮机俯仰故障由以下两个原因造成，一是俯仰机构特别是铰点阻力过大，二是斗轮机在使用一定年限后接地压力升高。为避免或减缓悬臂斗轮机俯仰机构发生此类问题，我们将臂架和配重铰点轴承改为进口自润滑关节轴承，将滑动轴承全部改为增加油脂润滑；另外，斗轮机在运行一段时间后应进行配重的维护，并及时清理臂架上的积煤。
关键词：悬臂使斗轮机；俯仰故障；铰点阻力；接地力
0前言
悬臂式斗轮机（包括堆取料机和取料机）是一种在轨道上行走的大型机械设备，主要由悬臂皮带机、俯仰、回转、行走、斗轮等机构组成，广泛应用于港口、电厂、冶金、矿山等领域，是煤炭、矿石等散货输送过程中关键设备之一。港口用斗轮机自动大、机构复杂。其中俯仰机构是斗轮堆取料机上的关键机构之一，其作用是牵引臂架装置在全料堆高度范围内做俯仰运动。
神华黄骅港作为我国西煤东运第二条大通道的出海口，2011年的吞吐量已突破1亿吨，其中的斗轮取料机即发挥了极其重要的作用。黄骅港一二期共有悬臂式斗轮机14台，其中6000t/h9台、3000t/h4台、1200t/h1台。其中一台3000t/h的R2斗轮取料机从今年开始经常出现俯仰无动作故障，给港口的生产造成了很大的影响。
本文通过对R2俯仰机构的计算、分析，找出了故障原因，提出了解决方案，同时也为悬臂式斗轮机俯仰机构故障处理提供了一种分析计算方法。
1R2俯仰机构形式
目前国内悬臂式斗轮机俯仰机构按驱动方式主要有钢丝绳式和液压油缸式两种；按俯仰结构形式又分为整体俯仰式和非整体俯仰式（主要是四连杆式）两种。我公司R2斗轮机采用的是液压油缸式四连杆俯仰机构。如下图1所示。
图1R2主要结构简图
1---斗轮装置2---司机室3---臂架及悬臂皮带机4---臂架拉杆5---四连杆机构6---俯仰绞点7---俯仰油缸8---配重9---俯仰塔架10---回转机构11---行走机构12---行走轨道
斗轮机俯仰机构由连杆5、塔架9和绞点6组成四连杆机构，臂架3和配重8在四连杆机构两侧形成基本平衡。斗轮机的俯仰动作由油缸7驱动，在俯仰过程中塔架（9）不随俯仰角度发生变化，悬臂的俯仰角度变化和配重的角度变化的角度不同，其运动由连杆连接来完成。
2故障描述
我公司R2于2003年10月交付使用，其主要参数为：取料能力3000t/h，回转半径51m，轨距10m，臂架皮带带宽1600mm，俯仰角度范围-11.5°-+11°，配重重约160t。
自今年以来，R2多次发生取底层料时无法抬起臂架的故障，有时虽然能做俯仰，但速度非常慢。我们首先检查液压系统，经检查液压泵、油缸、管路、液压阀均未发现问题，从而排除是液压系统的问题。后经测量液压缸的压力，我们发现在臂架上升时，液压缸的下腔压力达到了13.8MPa的压力，而俯仰液压泵的输出压力为15MPa，除去液压系统中的压力损失，液压缸下腔的压力已经达到最大值。由此分析，导致R2向上无俯仰或俯仰动作非常慢的原因可能是配重不足或俯仰结构中存在较大的阻力。
3原因分析
3.1分析方法
对于采用液压油缸式四连杆俯仰机构的悬臂斗轮机的俯仰系统分析一般采用测量接地力的方法。所谓接地力是指斗轮机俯仰系统在某一俯仰角度时斗轮由地面承受载荷大小，此时的俯仰系统的油缸不受力。
此方法也是斗轮机配重安装时常用的方法，合理的配重对于斗轮机来说是非常重要的，其主要作用有：减少俯仰机构液压缸的受力；减少俯仰电机的功率；调整回转以上部分重心的位置，减少重心移动所造成的能量消耗并防止过载或大风作用下的倾覆可能。
由此可知，我们可以通过测量R2俯仰油缸上下腔的压力，计算出其对应角度的接地力，从而分析出其配重设置是否合理。
3.2静态计算
3.2.1数据测量
我们对R2分别在-11.5°、0°、+10°俯仰角度时进行了多次测量，测得结果如下：
俯仰角度 +10° 0° -11.5°
上腔压力Mpa 5.7 5.8 5.6
下腔压力Mpa 13.5 13.8 14
上腔压力Mpa 13.2 13.6 13.5
下腔压力Mpa 8 8.2 8.5
表1R2俯仰油缸上下腔压力测量数据
3.2.2俯仰角度为0°接地力计算
图2R2俯仰水平位置接地力计算示意图
如图2所示：
A、B为四连杆机构中的固定铰点
E为油缸固定绞点（下铰点）
CDF为动铰点
L0---L9为各杆件长度
1）油缸推力计算
T缸=πD2/4*P下-π（D2-d2）/4*P上
其中：T缸-单油缸推力KN
D-油缸缸径250mm
d-油缸杆径180mm
P上-油缸上腔压力MPa
P下-油缸下腔压力MPa
2）杆件L2拉力FL计算
对于绞点A，在配重重力G重、油缸推力2T缸、杆件L2拉力FL2作用下达到力矩平衡，即有：
FL2*L3*COS（α3+α4）-2T缸*L7*SIN（γ2）-G重*L9=0
设：FL*L3*COS（α3+α4）=FL2*L3*COS（α3+α4）-G重*L9
即有：FL*L3*COS（α3+α4）=2T缸*L7*SIN（γ2）
FL=2T缸*L7*SIN（γ2）/[L3*COS（α3+α4）]
3）接地力F计算
对于绞点B，在臂架部分重力G臂、杆件L2拉力-FL2、接地力F作用下达到力矩平衡，即有：
G臂*L臂-FL2*L1*SIN（β1+β2）-F*R=0
由斗轮机整体平衡可知：
FL*L1*SIN（β1+β2）=G臂*L臂-FL2*L1*SIN（β1+β2）
即有：FL*L1*SIN（β1+β2）=F*R
故：F=FL*L1*SIN（β1+β2）/R
F=2T缸*L7*SIN（γ2）*L1*SIN（β1+β2）/[L3*COS（α3+α4）*R]
3.2.3任意俯仰角度时接地力F计算
以上为俯仰角度在0°时的计算公式，可根据测量数据和已知参数计算出结果，对于任意俯仰角下的度接地力可按如下方法计算：
在四联杆机构ABCD中，俯仰角度变化θ，即∠ABC（亦即α1+α2）改变θ，四联杆机构形状发生改变，其他三个角都跟着改变，其角度改变量我们可根据余弦定理求解。如下图3所示：
图3R2俯仰任意角度接地力计算示意图
在△ABC中，∠ABC、L0、L1为已知参数，根据余弦定理：
L02+L12-L42=2*L0*L1*COS（∠ABC）
L4=[L02+L12-2*L0*L1*COS（∠ABC）]1/2
即可解得L4值。
对△ABC再次使用余弦定理：
L42+L12-L02=2*L4*L0*COS（∠ACB）
则：COS（∠ACB）=COS（β1）=（L42+L12-L02）/（2*L4*L0）
β1=arcCOS[（L42+L12-L02）/（2*L4*L0）]
在△ABC中：
β1+β3+（α1+α2）=β1+β3+（α0-θ）=180°
则：β3=180°-β1-（α0-θ）
式中：∠ABC=α0-θ=α1+α2
α0---俯仰角度为0°时∠ABC角度
α、β、γ等各角---均为俯仰角度改变θ后的各角度
由上述可知，使用余弦定理我们可求解出α、β、γ各角度随俯仰角度θ的关系以及数值，因此我们也即可得出任意角度的接地力。
3.2.4静态计算结果
根据上述方法，我们计算出静态接地力，如下表2所示：
俯仰角度 +10° 0° -11.5°
上腔压力Mpa 5.7 5.8 5.6
下腔压力Mpa 13.5 13.8 14
接地力KN 120.644173 134.1734467 158.1855
上腔压力Mpa 13.2 13.6 13.5
下腔压力Mpa 8 8.2 8.5
接地力KN 18.429206 20.11665498 27.96752
表2R2静态接地力计算结果
从上表计算结果可以看出，对于同一静态俯仰角度其结果分为截然不同的两类数据，一类在12-15.8吨，另一类在1.8-2.8吨，与设计接地力3吨相差甚远。经过多次测量总结，我们发现对于同一俯仰角度，臂架下降停止时计算的接地力为偏小值，而臂架上升停止时得出的接地力为偏大值，这两类数值均无法采信。为获得系统真实数据，我们决定采用动态测量数据。
3.2.5动态计算结果
动态计算过程与静态计算基本相同，只是采用的油缸压力为臂架匀速上升和下降过程中的动态数据，其匀速过程为动态平衡过程，由此得出的计算数据可靠度神很高的。计算结果如表3：
项目 R2动态压力计算结果
下降过程 上升过程
俯仰角度 0 -11 10 0 -11 10
油缸上腔压力 13.8 13.8 13.8 1.9 1.9 1.9
油缸下腔压力 6.2 6.2 6.2 13.8 13.8 13.8
接地力KN -5.4378 -6.2429 -5.0040 157.0695 179.0167 144.5386
表3R2动态接地力计算结果
由上表可知，臂架上升和下降过程，R2接地力差别非常大，说明俯仰结构中的阻力过大导致无俯仰或俯仰缓慢的故障。如图一所示，R2俯仰机构共有ABCDEF六个铰点，其中BEF为关节轴承，A为可润滑铜套滑动轴承，CD为无润滑铜套滑动轴承，各铰点经多年运转，特别是铜套滑动轴承逐渐磨损导致阻力增大。近年来R2在做俯仰时铰点有异响和振动，亦说明铰点因磨损而阻力增大。
为验证计算结果，我们又对和R2是同型机的R9进行了对比，计算结果如下表4：
项目 R9动态压力计算结果
下降过程 上升过程
俯仰角度 -11 0 5 -11 0 5
油缸上腔压力 5.1 5.1 5.1 2 2 2
油缸下腔压力 8.8 7.9 7.6 9.3 9 8.2
接地力KN 88.1379 66.3612 59.9446 115.8270 97.9697 84.3353
表4R9动态接地力计算结果
通过对比可知，R9在臂架上升和下降过程中动态接地力也有差别，但很小，说明其俯仰阻力较小。事实也是如此，R9从未出现过此类故障。
3.2.6接地力估算与分析
1）接地力估算
通过表3、4，我们可以估算出R2、R9的接地力：
即对应俯仰角度的上升和下降的动态接地力的平均数即为该俯仰角度的接地力。如下表5所示：
项目名称 R2接地力 R9接地力
俯仰角度 -11 -11
接地力KN 86.386893 82.16544
表5R2、R9接地力估算结果
2）接地力分析
由表五可知R2R9在最低位时的接地力分别为8.6和8.2吨，远大于设计给定的3吨的设计值，但这并非计算错误，我们分析是如下这些原因造成的：
①在长期作业过程中，在悬臂钢结构的横梁、走台、平台、斗轮部位及折角处逐渐积累的煤粉，平时因作业繁忙难于清除；
②斗轮漏斗与格栅处经常积煤，特别是漏斗折角处长期有积煤；
③设备维修造成的重量增加：如增加反压托辊组、导向板、更换耐磨板、轮斗、格栅板等；在悬臂上增加附加设施，如斗轮处漏料接料板、洒水、润滑装置改造等都有可能增加重量。
图3斗轮部位积煤和头部漏斗处积煤
4结论与处理方案
由上述分析计算，我们可以看出R2俯仰故障由以下两个原因造成：
1）俯仰机构特别是铰点阻力过大；
2）悬臂式斗轮机在使用一定年限后接地压力升高。
针对这两种原因我们提出了如下方案：
1）申请维修计划更换俯仰铰点。
2）由于更换铰点需要列入年度维修计划，在更换之前我们采取了临时增加配重和及时清理积煤等措施，以缓解故障发生的程度和频次。
5结束语
R2更换俯仰铰点后效果非常好，再没有发生过此类故障。从更换下来的铰点轴承来看，润滑严重失效，磨损也比较严重。为了避免或减缓悬臂斗轮机俯仰机构发生此类问题，我们将臂架和配重铰点轴承改为进口自润滑关节轴承，将滑动轴承全部改为增加油脂润滑；另外，斗轮机在运行一段时间后应进行配重的维护，并及时清理臂架上的积煤。 |
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