(神华黄骅港务公司 河北 061113)
摘要：斗轮取料机是散料港口重要的周转设备之一。黄骅港Q3000-50型臂式斗轮取料机回转出现自转问题，通过电机选型计算，控制变频器输出，设计锲式制动器制动形式，有效解决取料机自转问题。
关键词：斗轮取料机 回转速度 电机选型 回转结构优化
一、概述
臂架式斗轮取料机是一种大型的，具有连续作业能力的散料装卸设备，该取料装置具有结构紧凑、操作方便、便于实现自动化作业的优点，因此广泛应用于煤炭港口企业的输送系统中。臂式斗轮取料机主要由行走机构、回转机构、俯仰机构、悬臂机构、斗轮机构五大部分组成。确保回转机构正常运转，保持其稳定性，对整机的运行性能具有重要作用。
黄骅港务公司Q3000-50型臂架式斗轮取料机为整体平衡式取料机，取料能力Q=3000t/h，回转半径R=50m，煤料密度选取ρ=0.85t/m³，斗轮直径D=8m，斗轮个数Z=9个，斗轮转速n=6r/min；回转速度为0.06-0.12r/min，通过计算可知理论生产率Q1=0.9801m³/s，回转轨道直径D2=10m，回转上部各部件总重量G1=318t。
臂式斗轮取料机回转机构分为支撑装置、旋转装置两部分。黄骅港Q3000-50型取料机采用轨道支撑回转台车形式，通过台车及回转轨道将取料机上部载荷（包含重力载荷、弯矩、扭矩、工作动作载荷）传递到下方行走支撑装置。回转采用柱销齿圈啮合驱动方式。驱动装置布置在回转支撑平台，采用电机、制动器、行星减速机这一最常用的驱动型式，通过驱动小齿轮与回转柱销啮合实现回转传动。该驱动装置结构紧凑、传动速比大、传动效率高。回转制动器采用液压推杆鼓式制动器，该制动器方便日常摩擦片调整及更换，同时能够时刻保持稳定的制动力矩输出。
二、回转故障概述
回转机构是取料机运转过程中一个重要的功能部件，配合斗轮、行走、俯仰等机构完成取装作业任务。回转机构出现故障，不仅会造成取料机无法进行正常的取装作业，同时对整个单机的稳定性产生影响，甚至会引发取料机倾覆，因此，研究回转机构常见故障，优化回转机构设计，保持回转机构的稳定性有重要意义。
黄骅港Q3000-50型取料机运行以来，回转机构先后出现回转台车支撑轮轮面压溃、回转轨道压溃变形、回转台车加强筋开裂等故障，针对上述故障，采用更换回转轨道、更换回转台车的维修工艺进行维护，消除设备隐患，确保设备稳定运行。
黄骅港Q3000-50型取料机一直以来存在大风天气条件下臂架自转问题，初步判断臂架回转系统自转是由于自身回转制动力不足造成。前期经现场核实，回转驱动电机下方制动器无法完全抱闸，通过调整回转制动器摩擦片间隙、更换制动器摩擦片等方法，仍无法解决臂架自转问题。当现场风力较大时，回转驱动装置无法带动臂架转动，出现臂架顺风方向转动。针对上述情况，考虑到回转驱动系统维修不方便，更换回转制动器后，仍存在无法保证制动效果的问题。决定对取料机回转制动形式进行优化设计，在保持原有回转制动器不变得前提下，在回转台车上增加2台锲式制动器，增强取料机制动力矩，消除设备在停机状态下自转问题，提升设备稳定性能。为进一步验证改造方案的可行性以及单机臂架自转问题进行研究分析，对臂式斗轮取料机回转系统设计进行研究、验算，特别是回转电机选型等方面开展研究，以期得到有效的解决办法，增强自己对臂式斗轮取料机的认识。
三、回转速度确定
黄骅港Q3000-50型取料机作业是通过俯仰、行走、回转三个机构共同配合完成。俯仰机构主要作用是调整取料垛高，避免取料太厚，造成斗轮无法切削煤垛。行走机构主要是调整进车量，控制斗轮吃煤量。在一个取料作业循环中，取料机俯仰、行走是固定不动的，实际取料能力的变化是通过回转速度决定。当采用恒速模式取料时，当臂架与地面坝基夹角增大时，斗轮取料量逐渐减少，当臂架与地面坝基垂直时即夹角为90°，取料量减小到0，极大制约取料效率的提升，同时采用恒速模式进行取料作业，当臂架与坝基夹角较少时，取料作业量较大，容易造成斗轮体堵转，严重时会造成驱动系统损坏，这种情况是严禁发生的。因此，斗轮取料机广泛按照1/cosφ调速原理进行回转速度设计，提高斗轮取料量，改善取料作业效率。黄骅港Q3000-50型臂式斗轮取料机回转采用变频控制调速模式。
其中： 表示臂架回转到φ角度时臂架转
速， 表示最小回转转速。在前人研究的基础上，取料机臂架与坝基之间的夹角最小在12°左右，此时速度最小。一般取臂架与坝基之间夹角为70°时回转速度为最大，因为角度再次增加会产生回转速度的跳变，考虑到设备的安全稳定性，回转转速不能太快，通常情况下应小于35m/min。根据设备参数选型，黄骅港斗轮取料机回转速度为0.06~0.12r/min，线速度V最大为0.12*2π*50=37.6m/min，超过最大线速度要求，后期通过变频器进行调整，调整为0.10r/min。
四、回转驱动功率计算
计算回转驱动功率，首先要明确回转驱动主要的功率消耗因素。根据取料机运行模式分析，臂式斗轮取料机回转驱动装置阻力矩主要包含斗轮取料过程中挖掘力产生的侧向阻力矩Tc、回转台车运行产生的摩擦阻力矩Tm、风阻力产生的等效风阻力矩Tf、回转平台倾角造成的倾斜阻力矩Tq、由于回转运动惯性产生的惯性阻力矩Tg五部分。综上所述，臂式斗轮取料机回转阻力矩为以上五部分之和，即T=Tc+Tm+Tf+Tq+Tg。
1、斗轮侧向阻力矩计算
臂式斗轮取料机挖掘自然堆积状态下的煤料完成取装作业，一方面通过斗轮体自转，另一方面通过臂架来回侧向摆动实现。因此取料作业过程中回转电机驱动功率一部分转化为克服煤料对斗轮体产生的侧向力做功。根据设计要求，斗轮体侧向力为斗轮挖掘力的0.3倍。
针对斗轮驱动系统进行研究，斗轮取料机斗轮驱动的功率消耗主要体现在驱动效率的损失、煤料被斗轮提升的做功以及挖掘煤料的做功。因此，计算斗轮挖掘力应该在斗轮驱动功率中减去煤料提升功率。
即斗轮挖掘力Fw=(ηP-Pt)/V。其中Fw为斗轮挖掘力；η为斗轮体驱动效率系数；P为斗轮驱动装置输出额定功率；Pt为煤料提升功率。Pt=Qm*g*h，Qm=Q1ρ。其中，Qm为单位时间内物料的质量，kg；Q1为理论生产率，m³/s，ρ为煤料密度，h为煤料提升高度，根据实际取料过程，选取h近似等于0.5倍的斗轮体直径。
根据黄骅港取料机相应参数计算可知，物料提升高度h=4m，ρ=0.85t/m³，理论生产率Q1=0.9803m³/s，Pt=0.9803*0.85*10*4 =33.3KW。
黄骅港Q3000-50型斗轮机斗轮驱动系统采用液压泵与马达驱动，通过花键轴带动斗轮体转动，取马达传动效率为0.85，花键轴传动效率为0.98，因此传动总效率η=0.85*0.98=0.833。斗轮驱动电机功率为160KW。斗轮体转动线速度V=n*πD/60=2.51m/s。斗轮挖掘力Fw=（160*0.833-33.3）/2.51*1000=39832.67N。斗轮侧向挖掘阻力Fc=0.3Fw=11949.8N。斗轮侧向阻力矩的计算，应该考虑斗轮上最不利一点进行，该点为斗轮体轮斗最边缘处。可知斗轮阻力矩Tc=11949.8*54=645289.2 Nm。
2、摩擦阻力矩计算
黄骅港Q3000-50型臂式斗轮取料机采用回转台车形式，回转台车在回转轨道上滚动，因此回转轮与回转轨道是滚动摩擦，根据相关标准，我们取摩擦系数f=0.03。
Tm＝1/2*f*D2*G1。其中：Tm—摩擦阻力矩；f—摩擦系数；D2—回转轨道直径；G1—回转上部各部件总重量。将数值带入公式，得到Tm=477000Nm。
3、等效风载荷阻力矩计算
黄骅港Q3000-50型臂式斗轮取料机在露天进行取装作业，需要承受风载荷影响。计算回转电机驱动功率过程中，应该充分考虑风载荷阻力矩影响。
黄骅港位于中国河北省沧州市区以东约90km的渤海之滨，地处环渤海经济区的中部。常风向：南南西（SSW），出现频率为11.1%。强风向：东北东（ENE），出现频率为0.4%。瞬时极大风速：＞40m/s。根据黄骅港实际天气情况进行分析，风压q可以通过公式q= V2/1600 获得。在臂式斗轮取料机取料作业时，假设风速V2=20m/s，测得风压q=250N/㎡。
臂式斗轮取料机为大型港口装卸设备，结构复杂同时形式多样，不仅包含型钢桁架（主臂架梁）、腹板梁（臂架拉杆），还有圆形截面构件。因此在计算风载荷时，应该根据具体情况选择风力系数，风力系数具体参照《JB-T8849-2005 移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范》进行选取。针对结构的不同，分类考虑风载荷计算。
根据回转功率验算需要，我们采用最不利风载荷为最大风载荷进行计算，此时，考虑风垂直作用在取料机回转系统上。当梁或梁的一部分被另外一根梁遮挡住的风所影响，那么这个梁上作用的风力有风力折减系数决定。假设第二根梁被遮挡部分是由第一根梁的外形轮廓沿风方向至第二根梁的投影面积所决定，则在第二根梁没被遮挡部分的风载荷计算时不考虑折减系数。风力折减系数有梁的高度以及两个梁之间的距离决定。黄骅港臂式斗轮取料机臂架拉杆采用双拉杆布置，选取臂架后拉杆进行最大风载荷计算，风力系数选取1.6，考虑第一个拉杆轮廓投影全部影射到第二根拉杆，在此选择折减系数为0.7进行第二根拉杆风载荷计算。根据CAD图纸进行测绘，臂架拉杆单梁的面积为4.2㎡，单一拉杆风载荷F1=4.2*250*1.6=1680N，另一侧拉缸风载荷F2=4.2*250*1.6*0.45=1176N，因此臂架拉杆承受风载荷F=F1+F2=1680+1176=2436N，风载荷作用线距离回转中心距离L=10.46m，因此计算风载荷力矩T=F*L=2436*10.46=25480.56Nm。其他机构风载荷及载荷力矩可以仿照上述过程进行计算，在此过程进行省略，具体计算数值见表1：
由表可知， =85510.9N，Tfd=1273678.7Nm。根据公式Tf=0.7*Tfd可知，黄骅港Q3000-50型取料机等效风载荷阻力矩Tf=891575.09Nm。
4、倾斜阻力矩计算
臂架取料机安装过程中允许存在一定范围内的安装误差，出于结构设计的考虑，计算驱动电机功率时要考虑取料机倾斜阻力矩。
根据Tq=∑G2*Lq*sinθ*sinφ，其中，∑G2为回转机构上部支撑各部件总重量，以及斗轮机构取装过程中产生的非正常挖掘力产生的等效作用力。Lq为总重力∑G2重心到回转中心的距离。θ为坡道角度，参照臂式斗轮取料机坡道角度安装标准，我们大致认为sinθ≈tanθ=1/1000≈0.001。φ为回转角度，通过公式发现φ=90°时，取料机倾斜阻力矩最大。
通过翻阅资料，黄骅港Q3000-50型臂式斗轮取料机上部机构总重量∑G2约为3180000N，上部各构件重心与回转中心距离Lq=1.5m，可以计算出倾斜阻力矩Tq=∑G2*Lq*sinθ*sinφ=3180000*1.5*0.001=4770Nm。
5、惯性阻力矩计算
根据JB/T 8849-2005移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范要求，户外工作设备，如果加速度或减速度小于2m/s2，则它的惯性力可以不予考虑。惯性阻力矩相对于挖掘侧向阻力矩较小，同时黄骅港取料机实际现场应用中控制加速度不超过2m/s2，因此，在计算回转电机驱动功率时，惯性阻力矩不予考虑。
6、电机校核验算
通过上述计算，可得回转阻力矩T=Tc+Tm+Tf+Tq+Tg=645289.2+ 477000+891575.09+4770=2018634.29N
黄骅港Q3000-50型斗轮取料机回转机构为台车式，通过驱动小齿轮与柱销啮合实现回转驱动。齿轮传动效率系数选取0.93，行星减速器传动效率选取0.91，总的传动效率为0.85。根据公式P=T*n/9550η得到电机功率为为29.8Kw。现场实际采用两台15Kw回转电机进行回转驱动，根据功率计算，满足现场使用要求。
考虑到大风天气条件下，回转驱动装置无法带动回转机构运行，现场采用更换变频器方式，调整电机功率输出，有效解决该类问题。本文不做该方面介绍。
7、回转锲式制动器改造
针对黄骅港斗轮取料机臂架自转问题，考虑增加两台锲式制动器。每台锲式制动器重约150KG，质量相对较轻，再次对回转驱动电机功率校核，此处省略计算过程，经计算满足电机功率要求。
黄骅港Q3000-50型臂式斗轮取料机回转轮直径为1050mm，经过选型计算，选择西伯瑞锲式制动器2台，型号为RKB1000/800-120。
锲式制动器设计安装在取料机回转驱动装置最近的两组台车上，采用镜像背靠背布置形式。为满足现场锲式制动器安装要求，确保锲式制动器铁鞋能够全部落在回转轨道上，时刻保持与回转轨道的平行状态，实现制动效果的最大化，在回转台车与锲式制动器之间设计连接板一套。锲式制动器安装后距离回转轮50mm，铁鞋距回转轨道100mm，确保锲式制动器能够自由的放下与收齐。回转锲式制动器连接板增加加强筋，确保铁鞋产生制动效果后，整个设备不变形，不损坏。
取料机处于停机状态下，锲式制动器处于关闭状态，铁鞋压放在回转轨道上。铁鞋下方采用糙面设计，增加铁鞋摩擦力，使其时刻与轨道保持静止。当臂架受到风载荷作用时，带动回转台车与回转轨道发生相对运动时，锲式制动器铁鞋塞到发生相对运动的回转轮下，对回转轮进行制动，实现臂架停止的功能。取料机处于工作状态下，锲式制动器一直处于打开状态。
经过一段时间的运行，锲式制动器能够很好的制动效果，大风天气条件下，取料机回转系统自转问题得到解决，消除设备在无人值守条件下，臂架发生自转的风险，提高设备稳定性。
结论
本文以实际问题为出发点，对黄骅港臂式斗轮取料机发生的自转问题进行研究，通过对回转电机驱动功率校核，验证回转系统增加锲式制动器方案的可行性。通过电机驱动功率计算，发现回转电机在选型过程中受到多方面因素影响，设计过程不能从单一问题进行分析，应系统考虑整个作业工况。本文不仅提供一种回转电机功率计算方法，同时提出解决回转制动器制动力矩不足的解决办法，为臂式斗轮取料机的研究有一定的参考价值。
参考文献：
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[3]GB/T 14695-2010臂式斗轮堆取料机型式和基本参数[S]．北京：中国标准出版社，2011;
作者简介
王坤，男，工程师。
论文作者:王坤
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/18
标签：料机论文; 制动器论文; 载荷论文; 阻力论文; 功率论文; 机构论文; 电机论文; 《电力设备》2018年第18期论文;