摘要：本文介绍了斗轮堆取料机一般采用液压系统俯仰机构实现机器在不同高度上的堆料和取料作业和如何合理设计俯仰液压系统原理图及外购件的选型。
关键词：斗轮堆取料机，俯仰机构，俯仰液压系统
1前言
俯仰机构是斗轮堆取料机实现堆取功能的关键部分。我厂设计的俯仰机构基本采用液压系统驱动，因为采用液压系统驱动能保证机器的出力要求和整机的稳定性要求外，又能减轻整机重量和体积和保证各机构驱动性能好，不易产生激励冲击，使机器实现软特性保证，而不易损坏机械设备，并且维修量小，工作可靠，寿命长。而采用钢丝绳卷扬机械驱动变幅，由于变幅频率比较高，容易钢丝绳跳槽，磨损，乱绳，而且稳定性差，造成机器不能正常使用。液压俯仰机构工作过程即上部钢结构一端通过俯仰主铰点与回转平台连接，另一端与液压缸铰接。液压缸承担上部结构的重量，与配重一起实现上部结构的平衡稳定，液压缸、回转平台、上部钢结构组成了活动连杆机构，通过液压缸伸缩运动改变悬臂与水平面的夹角。
2概述
斗轮堆取料机是电厂、矿山及港口常用的大型运输设备，其自身质量大、体积大，输出力也较大。由于斗臂较长，负载力较大，因而在取料过程中会产生较大的惯性力，对安全性、平稳性和可靠性要求很高，因而对液压俯仰机构的要求也很高，如果俯仰机构的液压油路结构设计不合理，往往会使斗臂产生较大的振动，影响正常工作，甚至发生事故。本文对斗轮堆取料机俯仰液压系统进行了合理的分析及正确运用。
3斗轮堆取料机俯仰液压系统的设计
3.1俯仰液压系统的工作原理
在受压的角度范围内液压系统做正功。当俯仰角度达到油缸受拉的俯仰角度时液压系统做负功，也就是说由外力拉动油缸运动；在相反俯仰角度从最高的俯仰角度运动到最低角度时通常油缸的受力状态是从受拉到受压。为实现油缸的伸缩需要设计方向控制回路。
根据系统的这种载荷的变化，液压系统需要相应的满足这种载荷变化的要求。一般油缸单纯受压的俯仰液压系统相对简单。对使用即受拉也受压油缸的液压系统一般要在油缸的非载荷侧施加背压，以解决在液压系统工作期间油缸从受压到受拉，或者是从受拉到受压的变化过程中系统的速度控制和震动等问题。所谓施加背压是指如果油缸是在受压状态，则有杆腔要有一定的压力，反之，无杆腔也要具有一定的压力。这样可以保证系统在随着俯仰角度变化，油缸的受力状态发生变化时液压系统始终具有一定的工作压力，保证系统运动的平稳性。为实现液压缸上升和下降速度合理控制需要设计流量控制回路。
在系统中因为外载荷的变化会导致全系统油压的失压，所以，对需要外来控制油的控制各种阀件应使用独立的供油系统，而不能使用主系统的供油进行控制。为实现独立的供油系统需要单独设计压力控制回路。
俯仰液压系统工作油压力较高，通过液压来实现同步效果不一定理想。另一方面在斗轮堆取料机的设计中，双油缸是通过机械的刚度来实现同步。目前，斗轮堆取料机的双油缸俯仰液压系统基本上不设液压同步系统。
综上所述，由于堆取料机设备自身质量大、体积大，对安全性、平稳性和可靠性要求很高，因而对液压俯仰机构的要求也很高，现俯仰液压系统存在的难题是：
（1）保压性能要求非常高 堆取料机非作业期间，泵站停止供油，上部结构重量仍然靠液压缸提供支撑力，通常要求每5h的变化不超过2mm。系统管路在过活动铰点处一般采用高压软管，因材料老化、外物损伤等原因，软管容易发生爆裂。若软管爆裂，油液急速外泄，液压缸在上部结构重量作用下迅速回收，导致上部结构失稳坠落，造成整机倾覆，所以系统必须设置可靠的保压回路，即使软管爆裂等意外发生，也能使俯仰系统保持稳定。
（2）悬臂俯仰换向时快速、平稳 系统上升、下降换向时速度要快，以保证堆场的堆取效率，但液压缸运动速度过快，超过液压泵供油所能达到的速度，工作腔中出现真空，会出现自重超速下降的危险工况。速度快的同时不能有严重冲击，以免造成过大的瞬时倾覆力矩，危害整机稳定性。
（3）系统应设置过载保护装置 工作期间如果外力偏大，负载压力超过预定压力，系统应能够卸荷，避免液压元件受损，保证系统作业可靠。
3.2俯仰液压系统的液压原理图分析
本人主持设计的产品（内蒙准格尔电厂DQ1000/1000-30斗轮堆取料机）的俯仰液压系统液压原理图与我公司常规设计的斗轮堆取料机俯仰液压系统
在这里介绍下液压原理图及与传统设计之间的改进之处。
电机启动，手动变量泵工作，压力油经电液换向阀，可以实现压力油进入活塞腔或活塞杆腔，实现油缸的下降和上升。
三位四通电液换向阀是为了油缸改变工作方向（即油缸往返动作而用）。其中电磁换向阀是给液动换向阀芯产生移动换向的动力，该动力油源是来自电液换向阀进油路中负载单向阀所产生的动力液压油，电液换向阀自身的内漏油要直接返回到油箱中。
油缸是选用差动双作用式油缸，活塞杆收回速度是活塞伸出速度的φ=D2/（D2-d2）=1.46倍，为了保证悬臂下降时，整机稳定无太大的冲击和抖动，需要调节单向调速阀进油开口量，使油泵排出的油量有一部分压力油液通过溢流阀回油箱，需要的压力油液进入油缸活塞杆腔，使悬臂在要求的工作速度平稳地下降，减小机器的抖动性。而为了保证悬臂上升时速度达到要求速度，在回油回路里调节单向调速阀进油开口量。
溢流阀是安装在油泵的出油压力管路中，是对油泵等各其它液压元件和管路进行安全保护，该阀调节压力要能保证液压系统最大工作压力要求，又能使各液压元件不受超载负荷而损坏。一旦液压系统工作压力超过溢流阀调节压力值，油泵就通过溢流阀溢流回油箱，而不到执行元件中去进行安全保护。但要注意调节压力不能调得太高，只要调到工作压力1.25倍就行了。调节太高会造成无谓的能量损失，造成液压系统发热很快，加速液压元件损坏。
机器上部悬臂部分，不论处于何种工作位置都受有不同的力矩作用，要使其位置不变，就需要管路中各液压元件（包括油泵、阀件油缸等等）都要有较好的密封保压作用。也就是说，液压系统中换向阀到中位，油缸一段回路始终都有压力油的作用，而油缸和平衡阀因泄漏而产生下沉量很小，保证使用要求。这时要检修油箱上的液压阀件就要事先关闭两只球阀就能使上部悬臂部分位置不动，又可以使所检修的液压元件在无压力油情况下检修维护。
机器上部悬臂部分一般都是头部比较重的，为减轻油缸受力，在悬臂后部加有适当配重可以使油缸上下两腔工作压力基本接近一致。但是上部悬臂变幅部分由下降到最低位置或上升到最高位置，机器上悬臂部分重心位置是不断变化的，在下降最低位置时，其重心位置偏前为最大，产生正力矩，到上升最高位置时，重心位置偏后为最大，产生倒翻力矩。油缸由于承受上述工作载荷性质，为了防止上部悬臂部分在下降或上升的变幅过程中不产生失速（变幅过程中的失速易使油泵供油不足产生吸空，使液压系统失压），使其保证在稳定无冲击情况下平稳地下降或上升，又能使上部悬臂部分长时间的锁定在所要求的工作位置上，则在油缸进出油管路中均加有平衡阀来实现上述要求。当油缸某一腔在承受负载重力作用下，又进入工作压力油进行工作时，平衡阀能自动而又及时地在油缸工作腔建立
的工作压力，保证不会使油缸在无阻尼情况下失速，在剧烈抖动或冲击中进行变幅工作。
为了随时检测主油路的工作压力和加油路工作阻力有多少，管路中各设有一只压力表，只要打开压力表开关，便可以读出工作压力值，调节压力开关开口量大小，可以使压力表指针带有阻尼而平稳转动，指示数值，保护压力表不损坏。
在油泵的吸油管路中，增设吸油滤油器，保护油箱里脏物不进入油泵中。在油泵出油管路中增设压力滤油器，保护油泵打出的油液中的脏物不进入到阀件和油缸中去。在总回油路中增设磁性滤油器，保证液压管路中的铁粉和脏物不回到油箱里，保证油箱油液清洁度，从而大大提高泵阀，活塞，油缸，密封件的寿命。
油箱上设有加热器，为的是机器用在北方，冬天气温在零下10~20℃，造成油箱中油液粘度很大，油液流动性很差，油泵启动不起来，油泵因吸空而损坏。为此要加温油液达到零上5~15℃，油泵才能启动，使液压系统进入正常工作。要经常检查油箱上最高与最低液位指示器，保证油箱有充足油液。检查油箱上温度计，最高油温不得超过65~80℃。往油箱里灌油时要经过空气滤清器，防止脏物进入油箱中。为清洗油箱放油需要，增设截止阀。为检修油泵吸油路，防止油箱油液外流，增设截止阀。
因为三位四通电液换向阀需要外来液动压力油，使其液动换向阀的阀芯移动而换向。这个动力源要与油泵主油路分开，不受油泵主油路的压力变化而变化。在变幅过程中主油路就是发生了失速现象，液动换向阀受控的液动压力油工作压力不受其影响，保证液动阀芯处于换向位置，不会造成液动换向阀芯时开时关而造成的上部悬臂变幅部分频繁剧烈抖动或冲击。
在老产品中所选用的是国产三位四通电液换向阀，没有这个负载单向阀。为了实现换向，在液压系统总回路中加一个溢流阀造成回油背压，依靠这个背压推动液动换向阀芯换向。但是这个液力动力油源是与油泵主油路相通的，要受到主油路的压力变化而变化，使得俯仰油缸在变幅中很容易产生抖动或冲击。另外，由于液动换向阀芯的自身结构造成，在其换向过程中有那么一瞬间电液换向阀的四个工作油口同时相通，使油泵打出的压力油突然与回油箱油路相通而失压。如果不及时换向，就要使上部悬臂变幅部分产生剧烈抖动或冲击。
为了使平衡阀能够及时产生该阀的开启压力（ 
），而又不会轻易失去这个控制压力，要求液压系统在油缸进出各自回路中都要设置单向调速阀来形成这种阻力。当阻压力达到平衡阀的开启压力，液压系统才能形成工作回路，油缸实现变幅。以前液压系统仅在某一回路设置单向调速阀这是不够的。随着油缸承受的正负力矩的加大，变幅产生的抖动或冲击就更加剧烈。
3.3俯仰液压系统中的计算
以准格尔项目为例子，按斗轮堆取料机的使用特点，它主要与斗轮机臂架的高度，长度，以及达到堆取物料的高度等参数有关。我们分析下它的计算：
俯仰油缸受力作用图和油泵工作流量计算：（悬臂水平状态时俯仰油缸受力作用图）已知斗轮中心D在上升时，绕
的切线速度为
=3.39 
（经验值，协议要求）。那么有：
A点绕
的切线速度 
：
（1）
俯仰油缸活塞向上移动工作速度 
：
（2）
俯仰油缸活塞腔进油工作流量 
与油泵的工作流量
：
初步确定油缸活塞直径：D=250mm，活塞杆直径：d=140mm（经验值，一般均取此型号油缸）
活塞腔作用面积 
：
（3）
两只油缸的总流量2
：
（4）
油泵的工作流量 
：
（5）
（其中
为泄漏等的容积效率取0.85）
俯仰油缸活塞收回工作速度 
：
（6）
重载状态指：机器在取料工作中，此时要考虑物料重量及挖掘力。
俯仰油缸变位时的工作压力计算：
根据斗轮堆取料机整机受力分析得知，当悬臂架和斗轮处于料堆最低位置即下俯12.15度时，此时悬臂和斗轮有负载而要上升（即俯仰油缸活塞腔进入高压油而使油缸活塞杆伸出）时，是油缸活塞腔受力为最大的工作位置。反之，当悬臂架和斗轮无负载而上升到料堆最高位置即上仰11.16度时，是油缸活塞杆腔受力为最大的工作位置。
根据俯仰油缸空载和负载时受力变位图即图5和表1数据，我们可以根据油缸所产生的力矩必须克服由于机器重心偏心所产生的力矩，得出力矩平衡：
当悬臂架斗轮处于料堆最高位置即上仰11.16度时，作用面为活塞杆腔，此时活塞杆腔受拉力，
（7）
（负值表示为油缸受拉力）
活塞杆腔作用面积
：
（8）
单只油缸活塞杆腔所受的压力
：
（9）
当悬臂架斗轮处于料堆最低位置即下俯12.15度时，作用面为活塞腔，活塞腔受压力，
（正值表示为油缸受压力）
（10）单只油缸活塞腔所受的压力 
：
（11）
油泵的工作压力 
：
因为
> 
，所以俯仰液压系统工作压力值以 
为依据。
（12）
俯仰液压系统计算：
油泵工作所需功率 
：
（13）
所以取电动机功率P=15KW
安全溢流阀工作压力
：
（14）
（其中K为安全系数取1.25）
所以取安全溢流阀P=15MPa
4 结束语
斗轮堆取料机中俯仰机构设计的好坏与优劣，对斗轮堆取料机的使用是否方便、可靠，将发挥很重要的影响。
经过改进的准格尔电厂的斗轮堆取料机俯仰液压系统，俯仰油缸在变幅过程中平衡阀的控制压力能够及时形成，主油路的工作压力不易失控。变幅所产生地抖动或冲击都很小，机器始终处于稳定的工作状态，没有出现常见的机器抖动问题和速度过快过慢的问题，得到了用户的肯定和认可。
参考文献：
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5.成大先。机械设计手册第四版。北京：化学工业出版社，2002
作者介绍：龚建民：男1964年6月出生，1987年7月毕业于华北水利水电学院起重运输及工程机械专业，并获得学士学位。1987年7月被分配到上海电力环保设备总厂有限公司（原上海水工机械厂）。于1987年7月至1991年11月在装配车间工作，直至1991年11月，进入设计室设计一组开始参与产品的设计工作。1994年12月，确认具备工程师任职资格，同时，被公司聘为工程师。2001年12月，确认具备高级工程师任职资格，同时，被公司聘为高级工程师。
论文作者:龚建民
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/24
标签：油缸论文; 悬臂论文; 液压系统论文; 油泵论文; 压力论文; 工作论文; 油箱论文; 《基层建设》2018年第6期论文;