装船小车运行中大臂抖动的解决方案
水泥 唐山海港冀东建材有限公司 李尧 2019-05-23
摘要
近年来气力输送粉体物料技术已经得到了广泛的应用。本文对气力输送矿粉装船中过程中装船小车大臂震动的影响因素进行了讨论，并对装船小车结构优化提出了方案。
关键词：气力输送、装船小车、振动分析
1、现场装船小车基本情况
气力输送管道将矿粉输送至码头对应的装船小车，用可移动可升降装船小车同时将矿粉直接输送到5000~30000t散货船上，装船小车可同时往散装船1~3个料仓送料，水平输送距离可达40~100米，垂直高度可达20米，装船机上自带处理风量8000m3/h的收尘器，收尘器收下的矿粉再通过气力输送管道输送至船仓内，气力输送系统可以实现无尘化矿粉装船。
装船小车主要由车架，收尘器，管路、变幅装置、液压系统和控制系统组成。
车架主体结构采用300方管焊接而成，车架底部安装有六个万向轮。侧面有四个液压支腿，在港口工作时，液压支腿把整个设备支撑起来，当工作结束后，支腿收起，置于车架侧边。在车架上，有一个由300方管焊接成的平台，平台高约2米，在平台的两根柱子中间有一根轴，轴端各有轴承。这根轴和气力输送管和导轨焊接在一起，主要作用是作为管道转动的支点。
在车架的后半部分，放置有收尘器。该收尘器是滤筒式的。车架尾部有一根方管做成的柱子，柱子上装有滑轮，滑轮上的绳子拉着下面的橡胶软管，该软管是接入物料的入口。
本套装置共包括两根管路，一根输送物料；物料通过这根管子进入船舱。另一根用来收尘，船舱的出尘通过这根管路进入收尘器。物料在收尘器里经过滤筒过滤之后，经过收尘器下方的分格轮进入输送管道，再次进入船舱。在车架平台上可以变幅的钢管与铺在平台上的钢管通过活接头连接起来。
变幅装置主要采用液压传动。在本装置车架平台的转动轴上，铺设了一排导轨，两路管道也放在这些导轨上，导轨中间是放置软管的地方，导轨头部安装有两个滑轮，对应两根软管。当设备准备工作时，通过滑轮把软管拉到钢管端部，安装起来既可以装船。当作业结束后，再用滑轮把软管放在导轨上。在导轨底部安装有连接孔，液压油缸连接在此处，通过液压油缸的伸缩来控制导轨以及管路的变幅。
调试的小车底盘为3000mm×3000mm，液压臂高为8980mm，壁长度6500mm。当输送量低于10t/泵时，臂的抖动幅度不大；当输送量为10t/泵或11t/泵时，臂的抖动幅度大，且频率高，调试工作无法继续开展。
2、分析原因
①液压臂的外形尺寸及结构
②管道的重量
液压臂使用Ф325×5mm的钢管，重量为39.45kg/m，则臂的自重为：
39.45kg/m×6.455m=254.45kg；
Ф325×5mm的钢管的截面积为0.077931132m2，则矿粉在管道内的重量为：
0.077931132m2×6.455m×1000kg/m3=503.05kg；
运动中的物料存在动载荷，取系数1.5~2.0：
503.05 kg×1.5=754.575 kg
所以：在输送过程中，液压臂承受的重量为：
254.45 kg+754.575 kg=1009.03 kg
③输送时速度引起的受力分析
A、在第一段(A处)弯头处因速度引起的受力
说明：反作用力即为F1。
B、在第二段（B处）弯头处因速度引起的受力
说明：反作用力即为F2。
C、液压臂的受力分布及等效
说明：q为管道和矿粉均布时的受力，这是理论值，实际分布并不均匀，只要乘以1.0~1.2的系数即可。本次按理论值，仅说明问题。
说明：F1和F2在受力中心点等效后，会产生力矩M1和M2，方向是相反的，合力矩相对于M可以忽略。
④理论解释抖动
A、在输送过程中，为保持液压臂的受力平衡，需F1+ F2=Q＋N，其中：N为液压缸在垂直方向的分力，N是由液压缸的大小决定的，且为柔性支撑，当受力波动时，液压缸在超过支撑上限值后会产生伸缩。反应在6.5m外的液压臂就是大幅度的抖动。
现场使用中反应的现象为：
当输送量低于10t时，F1+ F2≤Q＋N，抖动幅度不大，或不会抖动；
当输送量大于10t时，F1+ F2＞Q＋N max，抖动幅度大。
B、在输送过程中，为保持液压臂合力矩的平衡，需M配+ M缸=M，其中：
M缸为液压缸相对于支点产生的力矩。
现场使用中反应的现象为：
当输送量低于10t时，M配+ M缸＞M，抖动幅度不大，或不会抖动；
当输送量大于10t时，M配+ M缸max≤M，抖动幅度大。
由此可知，只要合力不为零或合力矩不为零，液压臂的抖动就会存在，抖动的幅度受料量的大小决定。
3、解决思路
根据上述的理论分析可知，液压臂的抖动是力或力矩的无法平衡所致。解决的思路是减少力或力矩的存在，或利用作用力与反作用力的原理相互抵消，具体如下：
①在液压臂上增加支点，减轻或取代现有第二节液压缸的支撑位置。这样做的目的是让液压臂的力和力矩直接分到液压缸上。以减少分力矩的存在。
②当第一节液压臂调整好位置后，用撑杆固定三角机构和底盘。这样做的目的是避免第一节液压缸的晃动影响液压臂。将力引到底盘上，减少回转支撑的受力。
③增加底盘的支点。现有为四个支点，间距为3000mm×3000mm，为保证小车的稳定性，将靠近液压臂的支点向外延伸800~1000mm，并支撑固定三角机构的撑杆。这样做的目的是增大底盘支点面积，提高小车的稳定性。
小车的稳定运行至关重要。矿粉经过小车上船问题是气力输送装船的核心问题。我们知道液压臂上船必须加固，而且还要满足升降的功能。因此针对大臂升降固定还需做到以下几点：
①液压臂改进。根据上次小车加固后的使用情况来看，效果明显，但强度仍不够，且升降性不好。本次将液压臂在现有基础上进行改进，利用滑块机构，在油缸移动时，滑块机构移动，当移动到预定位置时，滑块机构夹紧支柱，达到固定的目的。这样避免每天涨潮的落差和装船时臂的升降。
②小车液压支腿的加固。小车支腿的设计选型时，仅考虑小车自重，选型为10T×4个，液压臂工作行程760mm。输送压力不高时小车轻微抖动，当超过2.5Bar时抖动明显。
原因：液压臂工作行程太长，动载荷产生的横向力和纵向力使小车出现左右和前后晃动，频率高时抖动。这是选型偏小和行程偏长的原因，从安全角度和节省成本出发，本次拟将液压支腿加固，弥补行程偏长的缺陷。
③小车装船位置的确定。考虑到今后船型和每次停靠位置的不同，小车在装船时的停靠位置不能因船而变。应像动车组的停靠位置一样，都有自己固定的停靠位置，所以，应将小车的装船停靠明确下来，在现场用明显的标记符标示，船型的不同可用软管调节，船停靠位置不对可移船。
总结：理论计算对分析问题是具有一定的导向性，通过理论分析我们发现问题的存在点，结合现场的实际使用情况，经过现场改进，认真分析了输送工程中径向力与轴向力的关系，大胆提出“井”型支架，将大输送量情况下管道振动问题彻底解决。
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