曹云改

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450046）

0 引言

履帶式刮板取料機(jī)是應(yīng)用于散料堆場(chǎng)的1種連續(xù)取卸料的高效專用設(shè)備。它具有重心低、接地比壓小、行走無(wú)需軌道、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活以及機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。它主要是以刮板為取料工具，通過(guò)刮板連續(xù)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)溜槽導(dǎo)料，出料皮帶機(jī)輸送、回轉(zhuǎn)、變幅機(jī)構(gòu)及履帶式行走等各種運(yùn)動(dòng)的配合，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、高效的集成化動(dòng)作與功能。變幅機(jī)構(gòu)的作用為支撐懸臂刮板機(jī)臂架的重量，并且可以改變臂架高度，完成取料機(jī)在不同高度下的取料作業(yè)。目前，履帶刮板取料機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩卷?yè)P(yáng)[1]的形式。它是由卷?yè)P(yáng)機(jī)、動(dòng)滑輪組、定滑輪組以及鋼絲繩等組成的，其中卷?yè)P(yáng)機(jī)為動(dòng)力源。

根據(jù)散料場(chǎng)的地面狀況，為了增強(qiáng)履帶式取料機(jī)的通過(guò)性能，需要在滿足設(shè)備構(gòu)件強(qiáng)度和剛度的前提下盡量減輕取料機(jī)的自重，降低履帶的接地比壓[3]。刮板取料機(jī)構(gòu)是設(shè)備組成中的基本模塊之一，它的自重對(duì)整機(jī)的質(zhì)量影響是非常關(guān)鍵的。由于刮板取料機(jī)構(gòu)的自重取決于其結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，即取決于刮板臂架的橫截面的大小，因此使刮板臂架橫截面變小是減輕取料機(jī)自重的途徑之一。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)取料機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)制定了2種可行性方案。該文通過(guò)對(duì)該變幅機(jī)構(gòu)的這2種方案做進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析，篩選出了更加合理的變幅機(jī)構(gòu)，從而滿足履帶式取料機(jī)的通過(guò)性。

1 變幅機(jī)構(gòu)方案一

變幅機(jī)構(gòu)方案一是在刮板機(jī)臂架長(zhǎng)度距懸臂頭部1/3處設(shè)1處起吊點(diǎn)，鋼絲繩通過(guò)吊點(diǎn)架上的動(dòng)滑輪組經(jīng)過(guò)在取料機(jī)門(mén)架上固定的定滑輪組纏繞至卷?yè)P(yáng)機(jī)的卷筒上，如圖1所示。刮板機(jī)構(gòu)通過(guò)鋼絲繩的拽拉達(dá)到自身的平衡。卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，使纏繞其上的鋼絲繩進(jìn)行收繩、放繩，帶動(dòng)吊點(diǎn)架上的動(dòng)滑輪上升或下降，從而拉拽著刮板臂抬起和放下，達(dá)到刮板機(jī)構(gòu)的變幅。如圖1所示，對(duì)低位工況下的刮板機(jī)構(gòu)臂架進(jìn)行受力分析。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)方案一（低位）

刮板機(jī)臂架受力為鋼絲繩的拉力（F）和本身的自重（G）。

根據(jù)力矩平衡原理[2]，刮板機(jī)臂架處于水平位置。公式（1）為計(jì)算鋼絲繩拉力的方程。

式中：F為鋼絲繩拉力；G為刮板機(jī)自重。

通過(guò)計(jì)算得出F=1.62G。根據(jù)上述工況受力分析的結(jié)果，確定臂架的橫截面尺寸。懸臂架受力簡(jiǎn)圖如圖2所示，以此求出懸臂鉸支梁的最大剪力（Q）和最大彎矩（M），從而得到臂架的橫截面尺寸和最大變形量。

圖2 方案一懸臂架受力簡(jiǎn)圖

臂架總長(zhǎng)L=24.57 m，臂架的質(zhì)量按均載（q）考慮，單位為kN，如公式（2）所示。

根據(jù)梁的靜力平衡方程[2]，確定梁在C點(diǎn)、B點(diǎn)、A點(diǎn)處的約束力，根據(jù)剪力方程[2]、彎矩方程，計(jì)算出A、B、C點(diǎn)的剪力Q（A）、Q（B）、Q（C）和彎矩M（A）、M（B）、M（C）。得出方案一的剪力圖和彎矩圖，如圖3、圖4所示。

圖3 方案一懸壁架剪力圖

圖4 方案一懸壁架彎矩圖

從圖中可看出，全梁最大剪力Qmax=0.409G kN；最大彎矩Mmax=1.196 G kN·m。

刮板臂架選用Q355B材料，薄壁圓管結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)履帶取料機(jī)常用工況和工作制，設(shè)備的安全系數(shù)按1.5考慮，材料的許用應(yīng)力[σ]=230 MPa，許用剪應(yīng)力[τ]=130 MPa。按照刮板臂架梁截面圓管外徑D=500 mm，壁厚t=4 mm，圓管內(nèi)徑d=492 mm，臂架梁自重G=140 kN。則：Mmax=1.196G=167.4 kN·m，抗彎截面模量WZ=π（D4-d4）/32D=0.77×106mm3。其中π為圓周率，取π=3.14。

最大正應(yīng)力σmax=Mmax/WZ=217 MPa，σmax≤[σ]；滿足要求。

最大剪應(yīng)力τmax=2Qmax/π（D-t）t；Qmax=57.3 kN。

τmax=19.4 kN/m2，τmax≤[τ]；滿足要求。

2 變幅機(jī)構(gòu)方案二

方案二是在方案一的基礎(chǔ)上增加一副吊點(diǎn)和旋桿裝置，如圖5所示。即在刮板機(jī)臂架上再增設(shè)1個(gè)起吊點(diǎn)，并且滿足臂架上的2個(gè)起吊點(diǎn)將臂架大致分成3等分段。臂架寬度方向2側(cè)與吊點(diǎn)架的連接板鉸接，中間橫梁中部有1套動(dòng)滑輪組。將1根鋼絲繩II通過(guò)2個(gè)吊點(diǎn)架上的動(dòng)滑輪組把2個(gè)吊點(diǎn)架串連在一起。再增加1套由2個(gè)滑輪組、轉(zhuǎn)動(dòng)桿和連接板組成的旋桿裝置，其中連接板將2個(gè)滑輪組連接在一起，旋桿裝置中的1套滑輪組I與轉(zhuǎn)動(dòng)桿1端鉸接在一起。把刮板臂架內(nèi)吊點(diǎn)架上的鋼絲繩II套入到旋桿裝置中的另1套滑輪組II內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)桿另1端與刮板機(jī)臂架頭部鉸接軸連接，旋桿裝置中的滑輪組I與定滑輪、卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒通過(guò)鋼絲繩I串接在一起。通過(guò)鋼絲繩II將吊點(diǎn)架上的動(dòng)滑輪組和旋桿裝置纏繞在一起；通過(guò)鋼絲繩I將卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒、定滑輪組和變幅機(jī)構(gòu)纏繞在一起。

當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，卷筒螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼絲繩I進(jìn)行收放繩，旋轉(zhuǎn)裝置的滑輪組I以及連著的轉(zhuǎn)動(dòng)桿跟隨鋼絲繩I以刮板機(jī)臂架頭部鉸接軸為圓心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)上升或下降，滑輪組I通過(guò)的連接板帶動(dòng)滑輪組II以及套在上面的鋼絲繩II和吊點(diǎn)架一起運(yùn)動(dòng)，刮板臂架也隨之以刮板機(jī)臂架頭部鉸接軸為圓心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)刮板機(jī)構(gòu)的變幅。

如圖6所示，當(dāng)刮板機(jī)構(gòu)臂架在低位水平位置工況下時(shí)，對(duì)卷?yè)P(yáng)鋼絲繩拉力再次進(jìn)行受力分析。

圖5 旋桿裝置

圖6 變幅機(jī)構(gòu)方案二（低位）

根據(jù)力矩平衡原理，刮板機(jī)臂架處于水平位置，此時(shí)鋼絲繩拉力如公式（4）所示。

式中：N為變幅機(jī)構(gòu)滑輪組拉力；G為刮板機(jī)自重。

由上式得N=0.77G。

圖7為懸臂架受力簡(jiǎn)圖，可以求出方案二懸臂鉸支梁的最大剪力（Q）和最大彎矩（M），從而得到方案二臂架的橫截面尺寸以及最大變形量。

臂架總長(zhǎng)L=24.57 m，臂架的質(zhì)量按均載（q）考慮，單位kN，則q=G/24.57。

由梁的靜力平衡方程[2]，確定梁在D點(diǎn)、C點(diǎn)、B點(diǎn)、A點(diǎn)處的約束力，根據(jù)剪力方程[2]和彎矩方程，計(jì)算出A、B、C、D點(diǎn)的剪力Q（A）、Q（B）、Q（C）、Q（D）和彎矩M（A）、M（B）、M（C）M（D）。方案二的剪力圖如圖8所示，彎矩圖如圖9所示。

圖7 方案二懸臂架受力簡(jiǎn)圖

圖8 方案二懸臂架剪力圖

圖9 方案二懸臂架彎矩圖

從圖中可看出，全梁最大剪力Qmax=0.416G kN；最大彎矩Mmax=2.06G kN·m。

刮板臂架材料和結(jié)構(gòu)型式的選用與方案一一致。因此材料的許用應(yīng)力[σ]=230 MPa，許用剪應(yīng)力[τ]=130 MPa。由于方案一刮板臂架梁截面尺寸不變，圓管外徑D=500 mm，壁厚t=4 mm，圓管內(nèi)徑d=492 mm，臂架梁自重G=140 kN。因此得出，Mmax=2.06G=288.4 kN·m，抗彎截面模量WZ=π（D4-d4）/32D=0.77×106mm3。其中π為圓周率，取π=3.14。

最大正應(yīng)力σmax=Mmax/WZ=374.5 MPa，σmax＞[σ]；不滿足要求。

重新選取梁截面圓管外徑D=650 mm，壁厚t=4 mm，圓管內(nèi)徑d=642 mm，臂架梁自重G=144 kN。

則：Mmax=2.06G=296.6 kN·m，抗彎截面模量WZ=π（D4-d4）/32D=1.3×106mm3。其中π為圓周率，取π=3.14。

最大正應(yīng)力σmax=Mmax/WZ=228.2 MPa，σmax≤［σ］；滿足要求。

最大剪應(yīng)力τmax=2Qmax/π（D-t）t；Qmax=59.9 kN。

τmax=14.76 kN/m2，τmax≤［τ］；滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

將以上履帶式刮板取料機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的2種方案得出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，可以看出，方案二在刮板機(jī)臂架梁增加一處吊點(diǎn)，梁的彎曲應(yīng)力反而加大，臂架梁截面外徑需要650 mm才能滿足強(qiáng)度要求；而方案一臂架梁截面外徑只需要500 mm就能滿足強(qiáng)度要求。由以上分析得出，刮板取料機(jī)變幅機(jī)構(gòu)應(yīng)該選用方案一的型式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，梁結(jié)構(gòu)重量輕，是變幅機(jī)構(gòu)較為合理的方案。

選用方案一的變幅機(jī)構(gòu)，刮板取料機(jī)的自身質(zhì)量會(huì)減少，履帶的接地比壓會(huì)降低，履帶式刮板取料機(jī)的通過(guò)性能將進(jìn)一步提高。