65m大跨距橋式刮板取料機(jī)設(shè)計(jì)研究

摘 要：隨著我國工業(yè)化發(fā)展，市場對大跨度橋式刮板取料機(jī)需求強(qiáng)烈，但我國多年來設(shè)備跨度一直未超過50m。本文針對65m大跨度橋式刮板取料機(jī)的橋梁、料耙以及整機(jī)同步性等問題進(jìn)行分析，采用分體式雙料耙裝置，實(shí)現(xiàn)全斷面取料；采用應(yīng)力應(yīng)變疊加的分析方法來計(jì)算橋梁的強(qiáng)度、剛度和預(yù)拱值，實(shí)現(xiàn)橋梁強(qiáng)度、剛度和變形量的最佳匹配；運(yùn)用編碼器的感應(yīng)靈敏，鋼絲繩測量輪與傳感器同軸聯(lián)動，解決兩側(cè)端梁行走機(jī)構(gòu)的動態(tài)感知和智能糾偏問題。通過上述方案，解決了傳統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，軌道輪壓大，土建成本和運(yùn)行能耗隨之增加等問題，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)感知、智能糾偏和無人值守功能。

關(guān)鍵詞：大跨距；智能糾偏；分體式料耙；橋式刮板取料機(jī)

中圖分類號：TH 237 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

橋式刮板取料機(jī)具有混勻性能優(yōu)良、取料能力大、整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定以及維護(hù)簡便等特性，作為散狀物料連續(xù)裝卸設(shè)備廣泛應(yīng)用于港口、電力、建材、冶金、礦山以及煤炭等國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)[1]。

橋式刮板取料機(jī)于20世紀(jì)90年代進(jìn)入中國市場的水泥行業(yè)，到那時(shí)設(shè)備跨度一直未超過50m。在國家基礎(chǔ)工業(yè)快速發(fā)展、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化環(huán)境改造以及節(jié)能減排的方針指引下，我國刮板取料機(jī)制造企業(yè)經(jīng)過技術(shù)研發(fā)、工藝改進(jìn)、設(shè)備更新，以提升其設(shè)計(jì)、制造水平，但是大跨度、大運(yùn)量的刮板取料機(jī)整機(jī)以及部件的研究還只處于起步階段。

由于橋式刮板取料機(jī)的自身結(jié)構(gòu)問題，大跨距設(shè)備的料耙及橋梁易產(chǎn)生變形，無法實(shí)現(xiàn)全斷面取料，易發(fā)生啃軌等現(xiàn)象，極大地限制了橋式刮板取料機(jī)向大型化、智能化、低能耗以及高環(huán)保等要求的發(fā)展。因此，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)大型化、智能化、低能耗以及高環(huán)保的橋式刮板取料機(jī)技術(shù)已成為國內(nèi)外高端裝備行業(yè)的主要目標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)研究內(nèi)容

某電廠項(xiàng)目65m大跨距橋式刮板取料機(jī)，單機(jī)軌距65m，刮板鏈速0.6m/s，取料量700t/h。設(shè)備跨度大，國內(nèi)外并無成型案例可以借鑒，常規(guī)料耙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、整機(jī)質(zhì)量過大、行走車輪輪壓大、設(shè)備局部集中載荷過大以及整機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定等情況。

2 技術(shù)方案

2.1 單側(cè)分體式雙料耙裝置

在橋式刮板混勻取料機(jī)的結(jié)構(gòu)中，料耙是實(shí)現(xiàn)全斷面取料的核心部件，料耙的耙料效果會直接影響設(shè)備所取物料的混勻效果。傳統(tǒng)料耙結(jié)構(gòu)通常為等邊三角形，用三角形在料堆斷面上往復(fù)移動來完成松料工藝，料耙運(yùn)動軌跡需要覆蓋整個(gè)料堆的斷面，因此料耙截面與橋梁長度成等比關(guān)系。當(dāng)設(shè)備跨度超過40m時(shí)，這種平面鋼結(jié)構(gòu)料耙會在自重荷載的作用下產(chǎn)生撓度變形，撓度變形大的部分埋入物料中，變形小的部分則懸浮在料堆表面上面沒有觸耙物料，耙料面與物料的滑移角不吻合，這直接影響和降低了均化效果。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)料耙在大跨距條件下依然保證形變量精度，需要提高結(jié)構(gòu)性，當(dāng)取料機(jī)跨距大于45m時(shí)，需要將料耙設(shè)計(jì)成雙層甚至多層結(jié)構(gòu)，因此按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，65m大跨距橋式刮板取料機(jī)的料耙質(zhì)量約為280t，繼而將會導(dǎo)致橋梁及行走端梁截面變大、整機(jī)質(zhì)量大幅度增加，導(dǎo)致軌道輪壓過大，土建成本隨之增加5%，運(yùn)行能耗提高3%。因此降低料耙自重是提高設(shè)備整體穩(wěn)定性、增強(qiáng)產(chǎn)品市場競爭力的關(guān)鍵點(diǎn)[2]。

針對此問題，采用對稱直角凹四邊形雙料耙結(jié)構(gòu)，其特征是將傳統(tǒng)的橋梁兩側(cè)用大型平面等腰三角形料耙分解為兩個(gè)對稱直角凹四邊形料耙，且適當(dāng)縮小直角底邊的尺寸，并降低2個(gè)三角形的高度，同時(shí)在2個(gè)三角形的頂角增加1個(gè)直段，用于耙松料堆堆頂?shù)奈锪?；對稱直角凹四邊形雙料耙沿取料截面往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)設(shè)計(jì)耙車往復(fù)行程時(shí)要滿足大于兩料耙間距的要求，去掉了原大型等腰三角形中間部分，只保留了原等腰三角形的2個(gè)腰的一部分，由于耙車行程大于連接體的長度，因此可實(shí)現(xiàn)全斷面耙松物料，且這種分體式雙料耙松料裝置為多層立體式結(jié)構(gòu)，具有外形尺寸小、質(zhì)量輕以及強(qiáng)度剛度大等特點(diǎn)，在保證耙料面積的前提下，相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠降低耙架20%以上的質(zhì)量，極大地減少了耙架的變形量，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全斷面松料耙料作業(yè)。

采用ANSYS軟件對雙料耙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用BEAM189梁單元，單元的特性如下：彈性梁單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，即沿X軸、Y軸以及Z軸移動和繞X軸、Y軸以及Z軸轉(zhuǎn)動。該單元由3個(gè)結(jié)節(jié)點(diǎn)確定，在結(jié)構(gòu)分析中該單元的輸入?yún)?shù)見表1。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)建立模型（如圖1所示），施加載荷和約束（如圖2所示），通過料耙的有限元分析，得出了其應(yīng)力云圖（如圖3所示）以及變形云圖（如圖4所示）。

通過有限元分析（如圖3、圖4所示），耙架最大的應(yīng)力為74MPa，滿足規(guī)范的規(guī)定，最大變形為138mm，對于此類結(jié)構(gòu)的變形，尚無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因此變形量不影響結(jié)構(gòu)的性能即可。

由于設(shè)備跨度大，因此為了保證在物料因含水量高而出現(xiàn)物料黏著的工況下料耙依然可以起到高效的耙料作用，在料耙機(jī)構(gòu)中采用了“活動耙齒”裝置，當(dāng)主耙架橫向耙松物料時(shí)，采用此裝置可進(jìn)行縱向耙料，提高物料的流動性，滿足物料的混勻要求。

對于大型料場中所用的大跨度橋式刮板混勻取料機(jī)，單側(cè)分體式雙料耙松料裝置可實(shí)現(xiàn)全斷面取料，從而提高原料的混勻效果，降低原料的物理性能和化學(xué)成分的波動值，極大地增加了原材料的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 新型智能控制大跨距糾偏裝置

大跨距橋式刮板混勻取料機(jī)的整機(jī)質(zhì)量大，車輪數(shù)量多，車輪側(cè)向力大，耙架、刮板運(yùn)行過程中與物料接觸的位置不同，所取物料也會根據(jù)料堆種類不同而實(shí)時(shí)發(fā)生變化，且由于不同種類的物料特性也不相同，因此造成兩側(cè)端梁受力不均勻，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)也會發(fā)生變化，使設(shè)備兩側(cè)端梁行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生不規(guī)則變化，從而發(fā)生啃軌現(xiàn)象，為保證橋式刮板取料機(jī)正常運(yùn)行，傳統(tǒng)的糾偏裝置已經(jīng)無法滿足大跨距設(shè)備的檢測精度要求。

針對此問題，在橋式刮板取料機(jī)的糾偏裝置中將拉繩編碼器作為檢查傳感器，運(yùn)用拉繩編碼器的感應(yīng)靈敏，鋼絲繩測量輪與傳感器同軸聯(lián)動的特點(diǎn)，使測量誤差縮小，由于與被測物體軟性連接，因此抗震動性能優(yōu)越、安裝簡便，可以滿足測量距離偏大的需求，能達(dá)到快速糾偏目的，即在本裝置中采用拉繩編碼器來檢測設(shè)備的動態(tài)偏移量，當(dāng)橋式刮板取料機(jī)兩側(cè)端梁前后走行距離不同導(dǎo)致橋梁與擺動端梁不垂直而出現(xiàn)偏移角時(shí)，可進(jìn)行動態(tài)感知，并智能控制橋式刮板取料機(jī)12臺行走驅(qū)動，結(jié)合實(shí)時(shí)物料刮取速度，智能匹配各機(jī)運(yùn)行頻率，直到橋式刮板取料機(jī)橋梁與擺動端梁垂直，達(dá)到快速智能糾偏的效果，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測的高度智能化，從而保證大跨距橋式刮板取料機(jī)的高效率運(yùn)行。

2.3 大跨距橋式刮板取料機(jī)橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

橋梁是本機(jī)設(shè)備主要部件之一，總長度為67m，其自身質(zhì)量為187t，約占整機(jī)（總質(zhì)量約775t）質(zhì)量的24.2%，但需要承受整機(jī)設(shè)備83%的質(zhì)量載荷，因此橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)是保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵要素。

由于設(shè)備跨距大，需要兼顧考慮橋梁的預(yù)拱度、橋梁下方刮板的整體平面度、整機(jī)變形量，因此要保證在橋梁自重載荷、料耙載荷、刮板輸送系統(tǒng)載荷、鏈條張緊及運(yùn)動載荷作用下刮板與地面間隙在合理范圍內(nèi)。料耙系統(tǒng)所有載荷全部由橋梁承受，由于料耙工作需要沿橋梁軸向往復(fù)運(yùn)動，橋梁各部位載荷始終處于交變狀態(tài)，因此極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性疲勞，造成整體變形、鉸點(diǎn)開裂以及結(jié)構(gòu)失效等不利情況[3]。

針對上述問題，采用應(yīng)力應(yīng)變疊加的分析方法來計(jì)算橋梁的強(qiáng)度、剛度和預(yù)拱值，將刮板系統(tǒng)、料耙系統(tǒng)、導(dǎo)槽系統(tǒng)、鏈條機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合分析，對20余種工況組合進(jìn)行初步預(yù)分析，同時(shí)采用有限元ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算，保證橋梁結(jié)構(gòu)的合理性。同時(shí)對橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，最大限度地減少主梁自重，從而得到最優(yōu)化的橋梁結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)采用的材料、載荷組合及數(shù)值見表2。

建模時(shí)不計(jì)焊縫質(zhì)量，劃分網(wǎng)格后以載荷方式補(bǔ)足質(zhì)量；計(jì)算結(jié)果不考慮焊縫的殘余應(yīng)力忽略不重要區(qū)域的小孔、圓弧及小尺寸結(jié)構(gòu)。材料許用應(yīng)力見表3。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)建立模型（如圖5所示），施加載荷和約束（如圖6所示），對橋梁進(jìn)行有限元分析，得出了其應(yīng)力云圖以及變形云圖。

通通過有限元分析（如圖7、圖8所示），橋梁最大的應(yīng)力為148MPa，滿足規(guī)范的規(guī)定，最大變形為114mm，滿足規(guī)范的規(guī)定。

由表2和圖7可知，橋梁在自身重力和固有載荷作用下引起向下的撓曲變形，在此狀態(tài)下料耙小車在橋梁上運(yùn)動的軌跡就是一個(gè)下凹的弧線，使料耙小車的運(yùn)動阻力增加，嚴(yán)重影響料耙小車的運(yùn)行平穩(wěn)性和整機(jī)穩(wěn)定性，因此在設(shè)計(jì)橋梁的過程中需要采用預(yù)拱的方式來解決問題。

理論上，理想的橋梁的預(yù)拱度值應(yīng)該使料耙小車在運(yùn)行中任何時(shí)候受到的阻力應(yīng)該是相等的，即料耙小車在橋梁的兩端和運(yùn)行至撓度最大點(diǎn)時(shí)，料耙小車的運(yùn)行為1條水平直線，也就是說料耙小車在運(yùn)行過程中，任何時(shí)間內(nèi)在垂直方向上的位移應(yīng)該是0。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際安裝需求，橋梁的實(shí)際預(yù)拱值應(yīng)由自身重力預(yù)拱值和固有載荷預(yù)拱值2個(gè)部分組成，橋梁現(xiàn)場組立過程中是不受固有載荷的作用，因此橋梁組立完成后，先要經(jīng)行自身重力的預(yù)拱值的測量，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)后方可進(jìn)行下一步的組立安裝工作，待設(shè)備安裝完成后復(fù)測橋梁預(yù)拱值。

有專家對橋梁的預(yù)拱進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果曲線為1條關(guān)于橋梁軸線位置4次曲線，形狀復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)和制作，在目前的絕大部分橋梁制造中，都采用圓弧曲線來制作預(yù)拱，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目驗(yàn)證拱度值為跨度值的1.1‰～1.9‰。

2.4 取料機(jī)智能化控制系統(tǒng)

為了滿足無人的要求，采用綜合運(yùn)用精確定位、閉環(huán)控制、三維建模、智能調(diào)度、安全防護(hù)以及集中監(jiān)控等先進(jìn)技術(shù)，達(dá)到司機(jī)室內(nèi)無人操作、中央控制室內(nèi)集中監(jiān)控的效果。

運(yùn)用格雷母線定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)等非接觸式精確定位系統(tǒng)對取料機(jī)大車行走進(jìn)行精確定位，定位精度可達(dá)±10mm，增設(shè)閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，按照相應(yīng)的工藝流程完成取料自動作業(yè)。通過流量檢測系統(tǒng)結(jié)合取料機(jī)電流采用雙環(huán)PID控制實(shí)現(xiàn)取料機(jī)取料流量精準(zhǔn)控制，大幅降低堵料概率，提升流量恒定率，為精細(xì)化供料提供技術(shù)支撐。通過激光掃描系統(tǒng)獲取料場的三維模型，利用模型進(jìn)行料堆的空間定位，實(shí)時(shí)提取料堆的輪廓、體積等數(shù)據(jù)，為作業(yè)計(jì)劃的制定和執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支撐。運(yùn)用激光掃描、數(shù)字化建模以及精確定位等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能調(diào)度運(yùn)算，在作業(yè)過程中自動分解取料動作步驟，根據(jù)料堆變化實(shí)時(shí)生成取料路徑，快速響應(yīng)，大幅度提升效率。基于各種類型的傳感技術(shù)，在取料機(jī)無人操作模式下，負(fù)責(zé)設(shè)備的防碰撞驗(yàn)算，保障設(shè)備無人安全運(yùn)行。

3 結(jié)語

65m大跨距橋式刮板取料機(jī)解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)料耙在大跨距條件下，保證形變量精度時(shí)質(zhì)量過大而引起的橋梁及行走端梁截面變大、整機(jī)質(zhì)量大幅度增加、導(dǎo)致過大軌道輪壓、土建成本和運(yùn)行能耗隨之增加等問題，相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用全新料耙結(jié)構(gòu)能夠減少耙架20%以上的質(zhì)量；通過運(yùn)用拉繩編碼器的感應(yīng)靈敏，鋼絲繩測量輪與傳感器同軸聯(lián)動，解決大跨距橋式刮板取料機(jī)兩側(cè)端梁行走機(jī)構(gòu)的動態(tài)感知和智能糾偏問題；采用應(yīng)力應(yīng)變疊加的分析方法來優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)；運(yùn)用格雷母線定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)等非接觸式精確定位系統(tǒng)等手段實(shí)現(xiàn)了無人值守功能。

參考文獻(xiàn)

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