（上海电力环保设备总厂有限公司 上海市 200444）
摘要：本文从设计要素、设计思路、整机稳定性、电气控制等方面介绍了悬臂斗轮堆取料机总体设计的要点。叙述了主要机构的设计特点，着重介绍了整体稳定性的计算法。
关键词：斗轮堆取料机；总体设计；主要部件设计；设计质量保证
一、悬臂斗轮堆取料机介绍
悬臂斗轮堆取料机（简称斗轮机）主要包括斗轮机构、悬臂皮带机、俯仰机构、回转机构、行走机构、金属机构、尾车、电气、驾驶室、电气房和辅助设备（润滑系统、喷水系统、安全装置、检测装置、供电、照明）等。
斗轮机的型式按臂架平衡方式分，最常用的有两种机型：
1.活动平衡式：即活动平衡架与斗轮臂架之间用刚性或柔性连杆联结，并绕各自的铰点摆动的平衡形式。这种机型的优越之处在于斗轮臂架变幅时，整机的倾覆力矩变化很小，平衡效果及稳定性好。特别适合大中型斗轮机。如宁波港DQ1500/2000-50斗轮机（取料1500t/h，堆料2000t/h，回转取料半径50m）。就是活动平衡式机型。
2.整体平衡式：平衡架与臂架绕同一回转中心摆动的平衡形式。这种机型结构简单，平衡效果好，适合中小型斗轮机。如南京钢厂DQ800/1200-30斗轮机（取料800t/h，堆料1200t/h，回转取料半径30m）。采用的是整体平衡式机型。
二、总体设计
1设计规范及标准
斗轮机机型及机构类型虽然有它自身的特点，但参照《起重机设计规范》的分类法，基本上还是属于起重机设计的范畴，所以在规划总体设计时，作为起重运输设备有以下三个基本要素：
（1）金属结构和机械零部件的强度、刚度和抗弯曲能力；
（2）整机的抗倾覆稳定性；
（3）满足作业性能要求的原动总功率。
2载荷计算分类及组合设计
载荷计算类别时，按规范要考虑三种载荷的组合：
（1）在正常工作情况下的正常载荷（第一类载荷组合）。主要用于对整机的金属结构和零部件的疲劳、磨损、发热的计算，保证产品的使用寿命。
（2）在恶劣条件下工作的最大载荷（第二类载荷组合）。主要用于对整机的金属结构和零部件的强度、稳定性及整体稳定性的计算，保证整机在工作时不致破坏或倾覆。
（3）在非工作情况下最不利位置时的各种最危险载荷（第三类载荷组合）。主要是整机自重和非工作状态的最大风载荷的组合，但也要适当考虑一些特殊载荷的因素，用来验算主机的整体自身稳定性、金属结构和零部件的最大静强度及安全装置的可靠性。
从我们的实践经验看，斗轮机在使用时遇到的各种载荷，比一般起重机要复杂的多。在作具体计算时，上述三类载荷组合并不都是同一时刻出现，因此需要根据实际可能的载荷进行分类和组合，然后进行计算校核。
对整机，斗轮机工作制为重型，主要钢结构设计寿命为30年，整机在工作或非工作状态下都应当处于稳定状态。在正常工作条件下，应具有足够的强度，刚度和稳定性。
对主要受拉压构件如悬臂架、拉杆、压杆等要进行稳定性计算。
对门架等进行强度计算的同时，还要进行刚度的分析计算。
对于主要传动部件，按照各部件的工作工况，应分别进行如下计算：
（1）斗轮的切割功率，以及减速器、偶合器选型计算。
（2）皮带机的传动功率计算，以及减速器、制动器选型计算。
（3）变幅机构中液压系统功率、压力计算，液压泵和油缸选型。
（4）回转功率计算，极限转矩联轴器计算以及减速器和制动器选型。
（5）行走功率计算，减速器、制动器计算以及轮压计算。
（6）对各种活动铰点的轴承进行计算。
总之，对各个通用部件机构件进行计算的计算方式，在规范和设计手册中，都已有详细的规定，斗轮机计算时大多可通用。
3整机稳定性
根据我们多年的实践，保证臂式斗轮堆取料机的整体稳定性，是总体设计的关键。良好的整体稳定，不仅能防止回转支承发生局部磨损，使回转机构在正常的状态下工作。更重要的是保证了斗轮机工作环境的安全和操作者的人身安全。
从总体来看，由门架上部的一些结构件组成的上部金属结构，是通过回转机构相对于下部结构（行走机构及门架等）进行旋转，上部金属结构实际处于浮动状态，为此必须对上部结构的倾覆稳定性进行计算，重要的计算工作之一是整机的平衡计算，通过平衡计算，以保证整机重心在机器回转或俯仰时，始终保持在既定支承范围内。计算时还要考虑风载、雪载等工况对机器稳定性的影响。
斗轮机的总体稳定性，通常用稳定性系数来表示。所谓稳定性系数就是机器的维持力矩和倾覆力矩之比。根据我们的设计经验，要求其稳定性系数在最不利的工况下，必须大于1.25-1.3。
关于这方面的理论分析，吉林工大阎书文教授主编的《机械式挖掘机设计》一书，内有很详细的论述，我们在设计中多次借鉴应用。
具体来说，在总体设计中，首先根据各部件的自重，在各种工况下的受力状况，即载荷与载荷施加位置，合理地选择整机的平衡重。确保转台上部的全部重量及外力的合力作用点，即使在恶劣工作状态下，一定不超过支承圆范围，在非正常工作状态的最不利位置时，力保其总体稳定性控制在安全系数范围内。在确定平衡重后，再校核各种工况下的总体稳定性。
校核各种工况下的总体稳定性，通常分工作状态和非工作状态，分别校核。
（1）工作状态下的总体稳定性校核。主要是校核在斗轮处于最不利的工作位置时，即斗轮在离机体回转中心最远点挖掘时，风载作用于斗轮臂的相反一侧，力的方向指向斗轮臂，此时，倾覆点在臂架一侧的支重轮外边。维持斗轮及总体稳定性的维持力矩为：
2 金属结构
钢结构材料在选用时，根据ISO5049标准规定。在对港口和沿海地区或其他腐蚀性环境中工作的斗轮机，要选用抗腐蚀性好的合金钢。避免采用薄壁结构，以免很快锈蚀。焊接结构宜用可焊性好的普通低碳钢和低合金钢，尽量不采用厚板结构（厚度大于24mm），厚板结构容易引起多项应力和应力集中现象。金属结构的设计有两种方法：许用应力法和极限状态法。当载荷和内力为线性关系时，两种方法都可用，计算当载荷和内力成非线性关系时，应该用极限状态法计算，它更接近实际情况。结构形式：门架、转台采用箱形式结构，前臂架、配重架、尾车梁等采用“工”字梁结构，立柱有箱形结构（大中型设备），“工”字梁型结构一般在中小型设备中采用。其次金属结构中重要焊接处要进行强度计算。例如：立柱与后臂架间的焊接、变幅中心铰与转台的焊接。
3 回转机构
回转机构主要由回转支承装置、立式行星减速器、制动器、极限转矩联轴器、防超转装置、回转角度发生器等组成，为使斗轮取料均匀，采用变频电机由VVVF变频器调速装置进行 速度的自动控制，实现回转取料均匀，消除月牙形的取料损失。
回转支承装置主要有滚动大轴承和台车回转两种型式。
滚动大轴承式：这种回转支承整机中心低，能承受垂直力，水平力和倾覆力矩。工作平稳，利于整机平衡。缺点是造价高，要求与其连接的金属结构的刚度大，目前大部分斗轮机都采用这种形式。
台车式：回转支承装置的回转部分支承在三或四个由台车构成的支点上。每个支点上的车轮数按载荷大小确定。台车式优点是制造成本低，安装要求不高，维修方便。缺点是结构尺寸大，重心高，冲击大，工作不平稳。
4行走机构：
行走机构工作行走速度一般5~7.5m/min，非工作行走速度为25~30m/min。目前采用变频电机和变频器的调速，能无级调速，实现软起动，减少冲击。驱动功率是由总的运行阻力和行走速度决定的，运动阻力包括摩擦阻力，风阻力，坡度阻力和尾车阻力。其中尾车阻力指尾车串联在料场皮带机上，由料场皮带机产生的张力引起的。斗轮机在不同的位置，尾车受到的阻力是不同的。
5 俯仰机构
俯仰油缸在非整体俯仰系统中可以设计成只受压力的油缸。整体俯仰系统的油缸即受拉受压双作用力油缸。在整个俯仰角度范围内，油缸的力是在变化的。当俯仰角度从最低到最高的角度变化时，油缸的受力是从受压变为受拉，受压时液压系统做正功，受拉时，液压系统做负功，也就是在当前臂架上仰角度达到油缸倒拉角度时，外力推动油缸运动。根据这种载荷变化，液压系统设计时要充分考虑载荷变化要求，在非载荷侧施加背压。为了使两只油缸同步，系统中设计有平衡阀。用调速阀分别控制液压缸上升和下降，采用回油调速，比较合理。
5 尾车
尾车是斗轮堆取料机的特殊组成部份，按照料场工艺及结构形式的不同，主要有：①固定式单尾车，不能升降，适用于直通料场。②升降式（全趴式），半升降式（半趴式）尾车，适用于直通、返回式料场。③固定式双尾车：为固定两段式组合尾车，适用直通料场。④移动式双尾车：为两段式组合尾车，后段尾车可移动，适用直通、返回式料场。⑤交叉式尾车：由一条独立的装载输送机与尾车交叉组合而成，适用于直通、返回式料场。
6 电气及控制
整机功能的实现和安全运行，往往是靠电气来实现和控制的，因此总体设计必须对电气及控制有明确的要求。
① 供电方式及电缆卷筒的选用。
电缆卷筒是斗轮机最常用的供电方式，国外引进生产的磁滞式卷筒，能自动调节输出力矩，使输出力矩基本保持一致。
② 采用技术先进、高效低耗、安全可靠的电气设备与元件，使用维护方便，并符合IEC标准。
③ 机上设置全封闭，具有防尘、防水和隔热等功能的高低压电气室。
④ 设置动力变压器和380V/220V控制、照明专用变压器。其绝缘等级不低于F级，防护等级不低于IP23级。
7 质量保证
把功能满足要求、产品质量合格、运行可靠的设备交付用户使用，是涉及企业声誉及市场前景的头等大事，按照ISO质量保证体系规范设计产品，则是保证产品质量的关键所在。设计者依照用户的需求，把握与制定产品质量标准负有不可推卸的责任。
① 必须确实严把设计质量关，严格遵循“设计规范”和“斗轮机技术条件”等，对产品进行设计。每一张施工图，都必须有明确的质量要求。施工图下达投产前，须同时提供产品总体质量文件。
② 严格控制产品制造质量。产品制造质量是实现产品设计质量的根本保证。为保证产品的关键构件与零部件质量，设计者在施工图上要明确质量控制点或质量控制范围，明确质量检验要求和标准。
③ 关注外购件质量。加强对外购配套件的质量控制，特别是非标外购件，要经过严格监控，图纸要确认，质量要跟踪。
④ 重视整机的安装质量。在安装过程中，要加强数据测试，做好数据记录。严格按照安装程序进行合乎规范的总装。
8 技术文件编制
产品设计完成后，还必须做好文件编制工作，主要文件包括：质量控制文件、安装程序及要求、安装调试大纲、使用说明书、验收大纲、备品备件清单、图纸清单、和操作培训教材等文件。
四、结束语
选择合适的机型，采用现代设计方法和设计手段，对不同的机构型式进优化组合。其目标：①要使产品满足各项功能的技术要求；②低成本，高效率，高利用率，高可靠性；③以人为本，操作简便，维护方便。
参考文献：
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[2]《ZBJ8001-87移动式散料连续搬动设备—结构设计规范》
[3]《JB/T4119-94臂式斗轮堆取料机技术条件》
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[6]《门座起重机设计》陆国贤等著人民交通出版社1985版
[7]《机械式挖掘机设计》吉林工大阎书文主编机械工业出版社1998版
[8]《起重机设计手册80版，98版》张质文等主编中国铁道出版社1998版
[9]《质量体系和质量认证使用指南》严国良等主编上海科技文献出版社1996版
[10]《起重机设计计算》胡宗武、顾迪民编著北京科学技术出版社1989版
[11]《斗轮取料机》邵明亮等编著化学工业出版社2007版
[12]《散装物料带式输送机》[美]输送设备制造商协会协令联合会编机械工业出版社
作者简介：
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:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/6/1
标签：载荷论文; 轮机论文; 稳定性论文; 工作论文; 整机论文; 组合论文; 料场论文; 《电力设备》2018年第2期论文;