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【摘 要】悬臂式斗轮堆取料机的大范围普及是现代工业深入发展的产物，其应用的领域极广，如火电厂、矿山、水泥厂、港口、电力行业等。悬臂式斗轮堆取料机的结构部件包括门座、行走机构、上部结构、斗轮机构、回转平台、前臂架等，其中斗轮机构属执行机构，其对实现臂式斗轮堆取料机取料具有关键性的作用。本文介绍了悬臂式斗轮堆取料机的取料流程，同时分析了悬臂式斗轮堆取料机取料过程。
【关键词】臂式斗轮堆取料机；切削体积；取料过程
悬臂式斗轮堆取料机的分层取料工艺通常以回转为主，即从最上层物料开始直至最底层，再从最底层物料返向最上层，如此循环往复地取料。其中臂式斗轮堆取料机的取料作业是由回转机构、行走机构、斗轮机构等复合运动所实现的，而进给动作属直线运动，且取料动作囊括了两个运动。本文立足于单个运动切屑物料的体积，求得若干运动复合运动切屑物料的体积。
1.斗轮自转一次单个斗子所切切屑的体积
若斗轮铲取物料的方式为准连续输送方式，那么单个斗轮循环动作必然被划分为三大阶段：如果θ1为0°，第一阶段斗轮的装料过程应当以铲斗刃口切入物料为起点；如果θ1为90°，此时铲斗必然已经装载饱和，且已经完成装料过程，那么从θ2处开始卸料直至θ3，即第二阶段斗轮的卸料过程结束；待空斗重新回转至起始点后，便结束了单个斗轮自转循环动作，此为第三阶段。
2.前臂架回转一次单个斗子所切切屑的体积
假设斗轮实行任意层定点取料，此时斗轮会受到前臂架的驱使而以回转中心为中心循环回转，且斗轮在各取料循环后切出另一月牙形（见图二）。如果前臂架与斗轮机行走方向的夹角α为0°，那么从理论角度讲，切屑厚度由中间逐渐向两侧变薄；如果回转角为60°，那么斗子切取物料的体积明显较0°时少，此时物料生产率也呈减少趋势。由此可见，前臂架回转角度只有不超过60°，才能确保斗轮堆料机定量取料和取料生产率稳定。假如臂架回转d对应的物料单元切屑的体积为d，那么结合Vt·b·R可得如下函数式：
dv=t·R·R·COSα·dα
此时前臂回转一次所切切屑的体积可描述为：
3.不同层次取料过程中单个斗子所切切屑的体积
研究证实，前臂架的回转角往往受到所取料堆层数的影响，即如果所取料堆层数发生改变，前臂架的回转角必然会发生改变，其中波动范围最大的回转角分布在最底层，反之波动范围最小的回转角分布在最上层。此外，如果参数设备不同，其对应的进尺量和进尺次数亦是不尽相同。由前臂回转一次所切切屑的体积计算函数式可得，如果取料的层次不相同，前臂架回转一次所切切削的体积亦是不尽相同，即切削体积与初始角α呈负相关，此时R1也会随之发生改变。由匀速回转状态下前臂架单个斗子所切切屑的平均体积计算函数式可知，如果取料的层次不相同，各斗子所切切屑的平均体积亦是不尽相同。
假设堆料高度记做H，分层取料过程的各层切取高度记做h，其中h=R，取完料堆所需的总层数记做n，其中n=H/h（n取整数）。臂架铰点记做O1，料堆底部至臂架铰点的垂直间距记做h1，回转中心至铰点的间距记住R”，斗唇至臂架铰点的最大距离记做R’，不同层次取料过程中过铰点的水平面与臂架间的夹角记做ri，取不同层物料过程中过铰点的水平面上斗唇至回转中心的投影长度记做R1、R2、，R3，……Rn。主机行走的垂直面回转中心先至各层物料的距离记做B1’，B2’，B’3，……B’n.
综上各参数可得，前臂架以匀速回转方式切取平均切屑过程中，各斗子所切切屑的平均体积V计算函数式为：
4.物料安息角单个斗子所切切屑的体积
前文所述皆具备同一前提条件，即斗轮的作业环境为稳定性极好的斜坡（或安息角μ为直角），且物料在斗轮切屑结束后不会出现滑移现象。然而，现实中散料的安息角往往难以达到90°，且物料在斗轮切屑结束后往往会朝下滑移至斗子内。图一所示即为堆积角与切屑的关系曲线图。
备注：DF/BF——斗子切割轨迹；DB——切屑厚度t；E点——物料堆积角μ边线与斗子切割轨迹的交点；SCE——存在滑移现象的物料。
图一 堆积角与切屑的关系曲线图
由图三可知，如果不把松散物料内部粘着力考虑进去，理论角度认为待斗子朝上切割直至E点后，重力作用必然引起SCDE面积的物料朝下滑移直至斗子容积内部。此时，SCDE的面积可作如下描述：
若把滑移部分体积记做V，那么V必然满足如下函数式：
VS·bV=S·d
若把物料堆安息角μ考虑进去，单个斗子切屑体积V必然满足如下函数式：
V+ΦV=（Φ是滑移物体内收到斗子切割的物料系数）。
研究证实，Φ的成因极其复杂，即Φ值与物料内部粘着力呈负相关；Φ值与物料安息角μ亦呈负相关。由于Φ的成因尚缺乏有力的试验论证，则通常要求对切削宽度值予以适当调整，此时在V=t·b·R内，0.9b被看做b’处理。
5.讨论
前文立足于单个运动切屑物料的体积，求出了若干运动复合运动切屑物料的体积。总体而言，上述讨论的结果可简单归纳为如下几点：
（1）若使用斗轮来挖取散状物料，前臂架每回转一次所切单斗切屑的平均体积即为单个斗子所切切屑的实际体积，此时从理论角度可把悬臂式斗轮堆取料机的取料生产能力描述为：
Q=V·n·Z·60（m/h）（n是斗轮转速/（r/min；Z是斗数）
（2）通常把源于理论取料能力的切屑体积当做斗容来处理。就斗子设计方面而言，斗刃与物料接触的长度宜最短，斗轮切屑物料所需挖掘阻力宜最小，此时设定切屑宽度b与平均切屑厚度的均值相同，结合图一可得：
斗子设计往往以b为依据，从理论角度来讲，斗子宽度应比b更大，此时方可确保斗子所切切屑的体积。待b值确定后，结合各斗子所切切屑的平均体积V计算函数式，行走进给运动的进尺量t亦可被求出，由此为取料能力提供有力的保障。
（3）考虑到物料安息角的作用，即单斗切屑体积会随之增大，同时单斗所切物料比月牙体积更大。基于此，本文认为可以b’值为依据设计斗子和计算回转转速，此时可使回转减速比增大、回转速度降低，进而为提高悬臂式斗轮堆取料机的可靠性提供了有利的条件，同时也使工作状态下的大型构件承担更小的动负荷。此外，上述办法亦可实现斗轮驱动功率的降低和悬臂式斗轮堆取料机能耗指标的提高。
【参考文献】
[1]何路茵.臂式斗轮堆取料机取料过程分析[J].机械研究与应用，2009，（3）：129-131，134.
[2]徐万鑫.臂式堆料机稳定性分析及轨距的合理选择[J].港口装卸，2012，（3）：16-18.
[3]徐萬鑫，于宝财，于会春等.臂式斗轮堆取料机俯仰机构运动特性分析及调速回路选用[J].起重运输机械，2012，（6）：12-15.
【关键词】臂式斗轮堆取料机；切削体积；取料过程
悬臂式斗轮堆取料机的分层取料工艺通常以回转为主，即从最上层物料开始直至最底层，再从最底层物料返向最上层，如此循环往复地取料。其中臂式斗轮堆取料机的取料作业是由回转机构、行走机构、斗轮机构等复合运动所实现的，而进给动作属直线运动，且取料动作囊括了两个运动。本文立足于单个运动切屑物料的体积，求得若干运动复合运动切屑物料的体积。
1.斗轮自转一次单个斗子所切切屑的体积
若斗轮铲取物料的方式为准连续输送方式，那么单个斗轮循环动作必然被划分为三大阶段：如果θ1为0°，第一阶段斗轮的装料过程应当以铲斗刃口切入物料为起点；如果θ1为90°，此时铲斗必然已经装载饱和，且已经完成装料过程，那么从θ2处开始卸料直至θ3，即第二阶段斗轮的卸料过程结束；待空斗重新回转至起始点后，便结束了单个斗轮自转循环动作，此为第三阶段。
2.前臂架回转一次单个斗子所切切屑的体积
假设斗轮实行任意层定点取料，此时斗轮会受到前臂架的驱使而以回转中心为中心循环回转，且斗轮在各取料循环后切出另一月牙形（见图二）。如果前臂架与斗轮机行走方向的夹角α为0°，那么从理论角度讲，切屑厚度由中间逐渐向两侧变薄；如果回转角为60°，那么斗子切取物料的体积明显较0°时少，此时物料生产率也呈减少趋势。由此可见，前臂架回转角度只有不超过60°，才能确保斗轮堆料机定量取料和取料生产率稳定。假如臂架回转d对应的物料单元切屑的体积为d，那么结合Vt·b·R可得如下函数式：
dv=t·R·R·COSα·dα
此时前臂回转一次所切切屑的体积可描述为：
3.不同层次取料过程中单个斗子所切切屑的体积
研究证实，前臂架的回转角往往受到所取料堆层数的影响，即如果所取料堆层数发生改变，前臂架的回转角必然会发生改变，其中波动范围最大的回转角分布在最底层，反之波动范围最小的回转角分布在最上层。此外，如果参数设备不同，其对应的进尺量和进尺次数亦是不尽相同。由前臂回转一次所切切屑的体积计算函数式可得，如果取料的层次不相同，前臂架回转一次所切切削的体积亦是不尽相同，即切削体积与初始角α呈负相关，此时R1也会随之发生改变。由匀速回转状态下前臂架单个斗子所切切屑的平均体积计算函数式可知，如果取料的层次不相同，各斗子所切切屑的平均体积亦是不尽相同。
假设堆料高度记做H，分层取料过程的各层切取高度记做h，其中h=R，取完料堆所需的总层数记做n，其中n=H/h（n取整数）。臂架铰点记做O1，料堆底部至臂架铰点的垂直间距记做h1，回转中心至铰点的间距记住R”，斗唇至臂架铰点的最大距离记做R’，不同层次取料过程中过铰点的水平面与臂架间的夹角记做ri，取不同层物料过程中过铰点的水平面上斗唇至回转中心的投影长度记做R1、R2、，R3，……Rn。主机行走的垂直面回转中心先至各层物料的距离记做B1’，B2’，B’3，……B’n.
综上各参数可得，前臂架以匀速回转方式切取平均切屑过程中，各斗子所切切屑的平均体积V计算函数式为：
4.物料安息角单个斗子所切切屑的体积
前文所述皆具备同一前提条件，即斗轮的作业环境为稳定性极好的斜坡（或安息角μ为直角），且物料在斗轮切屑结束后不会出现滑移现象。然而，现实中散料的安息角往往难以达到90°，且物料在斗轮切屑结束后往往会朝下滑移至斗子内。图一所示即为堆积角与切屑的关系曲线图。
备注：DF/BF——斗子切割轨迹；DB——切屑厚度t；E点——物料堆积角μ边线与斗子切割轨迹的交点；SCE——存在滑移现象的物料。
图一 堆积角与切屑的关系曲线图
由图三可知，如果不把松散物料内部粘着力考虑进去，理论角度认为待斗子朝上切割直至E点后，重力作用必然引起SCDE面积的物料朝下滑移直至斗子容积内部。此时，SCDE的面积可作如下描述：
若把滑移部分体积记做V，那么V必然满足如下函数式：
VS·bV=S·d
若把物料堆安息角μ考虑进去，单个斗子切屑体积V必然满足如下函数式：
V+ΦV=（Φ是滑移物体内收到斗子切割的物料系数）。
研究证实，Φ的成因极其复杂，即Φ值与物料内部粘着力呈负相关；Φ值与物料安息角μ亦呈负相关。由于Φ的成因尚缺乏有力的试验论证，则通常要求对切削宽度值予以适当调整，此时在V=t·b·R内，0.9b被看做b’处理。
5.讨论
前文立足于单个运动切屑物料的体积，求出了若干运动复合运动切屑物料的体积。总体而言，上述讨论的结果可简单归纳为如下几点：
（1）若使用斗轮来挖取散状物料，前臂架每回转一次所切单斗切屑的平均体积即为单个斗子所切切屑的实际体积，此时从理论角度可把悬臂式斗轮堆取料机的取料生产能力描述为：
Q=V·n·Z·60（m/h）（n是斗轮转速/（r/min；Z是斗数）
（2）通常把源于理论取料能力的切屑体积当做斗容来处理。就斗子设计方面而言，斗刃与物料接触的长度宜最短，斗轮切屑物料所需挖掘阻力宜最小，此时设定切屑宽度b与平均切屑厚度的均值相同，结合图一可得：
斗子设计往往以b为依据，从理论角度来讲，斗子宽度应比b更大，此时方可确保斗子所切切屑的体积。待b值确定后，结合各斗子所切切屑的平均体积V计算函数式，行走进给运动的进尺量t亦可被求出，由此为取料能力提供有力的保障。
（3）考虑到物料安息角的作用，即单斗切屑体积会随之增大，同时单斗所切物料比月牙体积更大。基于此，本文认为可以b’值为依据设计斗子和计算回转转速，此时可使回转减速比增大、回转速度降低，进而为提高悬臂式斗轮堆取料机的可靠性提供了有利的条件，同时也使工作状态下的大型构件承担更小的动负荷。此外，上述办法亦可实现斗轮驱动功率的降低和悬臂式斗轮堆取料机能耗指标的提高。
【参考文献】
[1]何路茵.臂式斗轮堆取料机取料过程分析[J].机械研究与应用，2009，（3）：129-131，134.
[2]徐万鑫.臂式堆料机稳定性分析及轨距的合理选择[J].港口装卸，2012，（3）：16-18.
[3]徐萬鑫，于宝财，于会春等.臂式斗轮堆取料机俯仰机构运动特性分析及调速回路选用[J].起重运输机械，2012，（6）：12-15.