悬臂式混匀堆取料机及其悬臂梁的结构形式

摘要：堆取料机是目前最为广泛的应用散料处理成套设备之一，由于堆取料机的生产效率高，越来越多的受到世界各国的重视，目前已广泛应用于矿山、冶金、电力、交通、建材和化工领域的大型露天矿、土方工程工地、储料场、仓库、发电厂、煤气厂和港口码头。

关键词：悬臂式混匀堆取料机结构形式

中图分类号：U653文献标识码： A

堆取料机按照结构和用途的不同，可分为悬臂式、桥式、门式等几种型式；按照取料工具的不同又分可为斗轮式和刮板式，其中悬臂式斗轮堆取料机发展的较早，在许多行业都得到了广泛的应用，并取得了不错的生产效果。

一、目前我国堆取料机的发展状况

国内对斗轮挖掘机的研究起步较晚，1960年，从国外引进第一批斗轮挖掘机是我国对斗轮机械的应用、研究和开发工作的开始。我国已开始研发的第一台斗轮堆取料机由哈重于1970年研制成功并用于山西娘子关电厂。目前，随着对国外先进技术的引进和现代化设计方法的推广，我国在斗轮挖掘机的产品质量、生产能力、自动化程度、可靠性和设计手段等方面正逐渐缩小与发达国家的差距。

沈阳矿山机械厂于上世纪90年代开始进入堆取料机行业，并以刮板式堆取料机为主。第一台圆形堆取料机是在兖州矿务局济宁2#矿洗煤厂的YGD1100/95刮斗式堆取料机，第一台长形的堆取料机是在冀东水泥厂的日产4000吨熟料生产线；第一台圆形刮板式是在天津振兴水泥厂的型号为YG400/80的Φ80m堆取料机，在初期，水泥厂由于资金投入大而产量却小等原因，直到2000年，安徽海螺集团上马日产万吨水泥生产线后，才真正标志着刮板式堆取料机的发展。

目前堆取料机生产厂家已有十几家，在钢铁、电力、码头等行业主要应用桥式斗轮、臂式斗轮等类型堆取料机，这方面早期较为出名的有哈重，大重、长春发电设备、长沙重型等；在水泥行业主要应用桥式刮板机和侧式悬臂堆料机，在这方面进入较早的有沈矿、邯郸建材、大连仕达等；目前也有很多原来只进行安装堆取料机的安装公司，也逐步开始进行堆取料机的制造，主要有唐安、苏安等。近几年，随着一些具有资深的设计和生产能力的外企进入国内市场，对国内的市场产生较大的冲击，许多厂家为了生存也在研究功能更加适应的设备，于是在电力行业出现了一种新型的顶堆侧取式圆形侧式刮板堆取料机；由于我国煤炭资源丰富，随着煤炭行业的兴旺，许多大型煤矿也开始引进堆取料机投入生产；同时相关化工行业也在纷纷采用堆取料机作为仓储设备。

钢铁行业目前也是方兴未艾，随着改革开放和经济建设的飞速发展，许多的民营企业也纷纷进入钢铁生产行业，而原有的大钢铁厂也在纷纷上马新的钢铁生产线。在今年跟踪的堆取料机项目中就有几百台不同型号的设备。其中，某大型钢铁厂的新建项目一次性就要采购十几台堆取料机。不仅国内如此，很多国外企业也在中国寻找堆取料机供应商。

港口方面采用的散料货运码头也需要很多大规格的堆取料机，其主要机型与钢铁行业相近，但是很多设备更加大型化。目前国内原有码头纷纷扩容或新建码头，也急需各种大型料厂工艺设备。

煤炭行业堆取料机起步较晚，沈矿到目前应用在各洗煤厂、煤矿选用的堆取料机还比较少，但由这两年开始，选用堆取料机作为仓储设备或混匀设备的项目有明显增多的趋势。而且煤炭行业为达到其生产规模，选用的堆取料机都是较大型设备。如2005年沈矿为古交坑口电厂配置的堆取料机堆料能力达到2500t/h，取料能力达到1500t/h，取料机跨距达到46m，在当时属于该类型最大设备，而今年初为淮南刘庄矿设计的堆取料机跨距达到50m。而今年在霍林河煤矿投入运行的顶堆侧取堆取料机的直径达到120m，堆料能力达到2000t/h，现场最大取料能力达到3500t/h。今年为霍林河设计制造的直径120m顶堆侧取堆取料机堆料能力已达到4000t/h。

根据国外文献记载，国际上最大直径的圆形堆取料机已经达到137m，由德国制造并采用了门架式结构，而长形料场取料机的最大轨距已经超过70m。

相对而言，钢铁行业由于采用堆取料机较早，形成了一套相对比较完整理论计算体系，而在水泥行业的堆取料机由于起步较晚，特别是近几年发展较快，在各生产厂纷纷上马项目的同时却很少有企业深入的研究其内部构成，也就是说至今为止，国内还没有一套包括内部各种参数计算在内的比较完整的理论体系。

二、臂架堆取料机的几种常见形式及工作原理

2.1固定式悬臂堆料机

1. 配重块2.行走机构3. 堆料臂4.液压系统

5.尾车 6. 控制电缆卷盘7. 动力电缆卷盘 8.主控制室

图1 固定式悬臂堆料机

混匀堆料机分为固定式和回转式两种形式。其主要的结构大体相似，主要区别在于固定式悬臂堆料机的悬臂没有回转支承，因而不能回转角度。下面以固定式为例介绍其工作原理和主要结构。

固定式悬臂堆料机是二次料场中与取料机配套使用的原料预处理设备，可堆积煤、铁矿粉、石灰石等散装物料，适用于电力、冶金、建材和化工等部门的储料料场。它将配料系统配比好的物料按一定的堆积方式均匀的堆在料场，可使混匀取料机取得的物料成份稳定，波动较小。

混匀堆料机如图1所示，由配重块、行走机构、堆料臂、液压系统、尾车、控制电缆卷盘、动力电缆卷盘、主控制室等几个主要部分组成。悬臂胶带机安装在堆料臂的平面上，堆料臂的头部装有随动卸料滚筒，堆料臂的尾部安装活配重，前臂架与A字形支撑梁铰接,液压系统中的油缸分别与A字形支撑梁和堆料臂铰接，A字形支撑梁与走台车用铰接，尾车与A字形支撑梁刚性连接。工作时,先起动悬臂胶带机,再启动料场胶带机，料场胶带机与尾车相连。未经混匀的物料经料场胶带机、尾车进料胶带机、尾车卸料斗运送到悬臂胶带机上，并由臂架皮带机运送到臂架前端，通过卸料滚筒将物料卸到地面，与此同时，地面行走机构带动堆料机整体沿轨道在料场长度方向上作往复运动，当堆料机从料堆的一端运行到另一端时，物料均匀的在地面上平铺了一层，置于臂架前端的料位计检测发出信号，中控系统收到信号后发出指令使臂架抬高一个程序设定好的角度，继续堆料。如此重复上述过程，直到堆料臂架抬高到预定的高度或角度。此时地面上的物料就形成了一个连续的规则的人字形料堆。

在此过程中，由于物料在堆料之前没有经过混匀，所以分层堆料就使得不均匀的物料按层分布叠加，也就实现了堆料的混匀过程。

2.2圆形料场混匀堆取料机

圆形预均化料场堆取料机如图2所示，由回转式皮带堆料机、桥式刮板取料机、中柱、电控系统等部分组成。堆料机安装在中柱的上部，来料栈桥的下面，它由径向回转式堆料皮带机、液压变幅系统、回转机构等组成。取料机可绕中柱回转，取料机主要由桥梁、端梁、料耙和刮板输送系统构成。

1.端梁2.刮板输送系统3.桥梁4.料耙5.料耙系统

6. 控制室7. 回转机构8. 液压变幅系统9堆料皮带机10.中柱

图2 圆形料场堆取料机结构示意图

在圆形预均化堆场中来自来料栈桥的物料经由漏斗、导料槽转载到来料栈桥下面的径向回转式堆料皮带机上，通过堆料皮带机的皮带将物料运送到臂架头部，由卸料滚筒将物料卸到地面，在堆料臂架半径内将物料堆积成圆形料堆，其堆料过程相类似，不同的是长料场中堆料机沿直线轨道往复行走变成了堆料臂架在围绕中柱做往复的回转运动，在达到预定的料堆形状时则堆料机完成堆料任务。取料机桥架的一端固定在堆场中心的中柱上，另一端则支承在料堆的圆形轨道上。整个桥架也以中柱为圆心，按垂直于料层的方向转动，在料堆的横断面上进行取料，同时位于桥梁底部的刮板输送系统一直向着中柱方向运动，料耙往复运行，将取料面上的物料剥落到料堆底部，被连续运行的刮板送到堆场中心的卸料斗，由地沟皮带运出。

圆料场堆取料机的堆取过程也和长料场的堆取过程相类似，同样实现了物料的混匀均化。

2.3顶堆侧取堆取料机

顶堆侧取堆取料机结构如图3所示，其中堆料装置中有悬臂梁，胶带机，回转支承，堆料机配重，堆料机平台等组成，取料机装置由刮板系统，卷扬机构，取料机平台，取料机配重，回转驱动等组成。

1.堆料装置 2.取料装置 3.中心柱 4.中心落料斗

图3配重式顶堆侧取堆取料机

顶堆侧取堆取料机为圆形料场，堆料工艺与悬臂堆料机和圆料场堆取料机大致相同，物料由栈桥输送到堆料机胶带机上，通过头部滚筒将物料堆积成圆形料场。与圆料场不同的是顶堆侧取堆取料机在取料时是通过刮板系统侧取实现的，将物料由刮板输送到中心落料斗中落到地下皮带机上，而圆形料场是通过桥梁和料耙在物料的横断面上取料实现的。理论上顶堆侧取结构能够实现360°无限制回转堆取料，而圆料场则不能。同时还出现了门架式顶堆侧取堆取料机，目前市场应用也十分广泛，尤其在电力行业上对这种门式顶堆侧取十分青睐。

3.4斗轮堆取料机

斗轮堆取料机结构如图4所示，由斗轮机构、胶带机、上部金属结构、液压变幅、回转平台、门座、行走机构、回转机构、司机室支架、司机室、电器室、地面装置、尾车、电缆卷筒等构成。在工作时由前臂架上的斗轮装置转动铲取物料，同时斗轮的转动将物料带到臂架的上方，由导料槽将物料卸到悬臂皮带机上，皮带机将物料输送到整机回转中心处的漏斗里，物料沿漏斗卸到地面皮带机上输送走。这种斗轮堆取料机设计的重点和难点主要在于整机的平衡，上部金属结构是设计中最关键的部分。因此，在设计中多数要结合电算分析报告来作为最终的设计依据。沈矿设计院在设计斗轮堆取料机时与吉林大学合作设计了十几台斗轮设备，现在这些设备都已经安装完毕并运行情况良好。

1. 斗轮机构2. 胶带机3. 上部金属结构4. 液压变幅5. 回转平台6. 门座7. 行走机构 8. 回转机构9.司机室支架 10. 司机室 11.电器室12.地面装置13.尾车14.电缆卷筒

图4斗轮堆取料机

以上各种形式的堆取料机都有悬臂梁结构，悬臂梁在整个堆取料机结构中属于重要的钢结构部件，在悬臂梁上都有堆取料胶带机座在悬臂梁的上平面。用悬臂梁来实现堆料工艺，在臂式斗轮堆取料机中，悬臂梁也用来实现取料工艺。

三、堆取料机中悬臂梁的主要结构形式

堆取料机中堆取料工艺的实现主要依靠悬臂梁来实现，堆取料机悬臂梁根据使用工艺、堆料能力，悬臂长度及完成动作的不同有很多种结构，如桁架式、板梁式，和以桁架为主的立体结构等（图5-图8）。

图5桁架式堆料机悬臂

图6 板梁式堆料机悬臂

图7 空间桁架式斗轮堆取料机悬臂

堆料臂具有俯仰功能的通常采用板梁式结构，如果悬臂长度过大，则采取在悬臂上增加空间拉杆的结构以减小悬臂梁由于自重所产生的较大的挠度，过于长的悬臂也经常采用桁架结构以有效减轻设备自重（图8）。

图8 带空间拉杆的堆料机悬臂

3.1 板梁结构的悬臂梁

原有配套桥式刮板取料机的堆料机悬臂相对较短，一般不超过25m，大部分采用板梁式结构，即根据等强度原则，采用变截面工字形梁。个别臂长较大的在工字形梁增加各种拉杆。其配重部分采用与板梁部分形成一体的结构。根据各种工艺配重部分回转半径要求很短是比较合适的一种布置方法。

目前各种臂式斗轮堆取料机悬臂都是采用中间为大型立体钢桁或板梁结构，两侧分别与悬臂、配重形成平面或空间形式的各种立体钢桁结构形式。这种结构悬臂本身仍为变截面工作形梁，而且可以有效降低悬臂高度和后部配重。各种拉、压杆件根据布置、应力的不同采用各种不同形式的板材、管材、H型钢等材料。臂式斗轮的配重部分回转半径都相对较大，而且悬臂较长，目前最长的达到70余米。

圆形料场的堆取料机，主要机型为堆料机为侧式悬臂堆料机，取料机采用桥式刮板取料机。这种机型的主要特点是堆料悬臂随整机回转的同时进行俯仰作业以保证料堆的堆积形状。

该机型根据取料机轨道直径主要有Φ60m、Φ80m、Φ90m、Φ95m等，目前最大的直径为Φ110m，最小为Φ55m。由于动作方式相同，这种堆取料机的堆料机部分具有相同的特点。

堆料机在回转的同时堆料悬臂进行俯仰，俯仰速度与回转速度有一个匹配的关系，即在规定的回转范围内，堆料机每回转一次，悬臂下俯（或上仰）一次。俯仰机构均采用液压油缸俯仰方式。总体结构布置没有区别，堆料机下部通过一个回转平台和回转支承固定在中心柱上方，堆料机上方通过一个回转平台和回转支承来料栈桥。堆料机悬臂具有俯仰功能，整体在悬臂上下两个回转平台间的穿过。两个回转平台间采用四根立柱支承。这种机型悬臂除了中间与下部转台进行铰接，前部油缸分别与悬臂与下转台铰接，形成一个三点静定结构，通过油缸的伸缩来控制悬臂的俯仰。

如图9所示，这种机型中悬臂梁普遍采用变截面双工字形板梁结构，悬臂上方安装胶带机滚筒、托辊组等，板梁本身代替了胶带机的中间架和支腿。悬臂尾部设置配重箱配重箱与悬臂形成一体，并随悬臂变幅。尾部截面与前端截面相比，高度和惯性矩都比较大，理论上是等强度梁的结构。由于悬臂长度导致前端下挠，为防止下挠距离过大，在较长悬臂上设有辅助拉杆，形成桁架结构。

图9Φ110m堆取料机堆料机部分主要构成

图10堆料机悬臂主要构成

3.2 桁架结构的悬臂梁

霍林河堆取料机是一种新型顶堆侧取式堆取料机，由于堆料机部分仅回转不俯仰，堆料机部分形成一体结构。该堆料机部分主要由两层回转平台、堆料悬臂、配重箱、胶带机、回转驱动等几部分组成，通过一套与中心柱固定的回转支承绕中心柱回转，上部通过一套回转支承支撑来料栈桥。悬臂采用桁架结构，应用各种圆钢管、方钢管、矩形管、H型钢等制作梁体本身。两转台间通过立柱支撑，立柱采用H型钢制造，中间采用角钢及小H型钢连接，形成一体结构，小H型钢同时作为溜槽的支撑架。如果将上下转台看作一个整体的刚性体，悬臂端通过拉杆与上部转台铰接，悬臂根部与下部转台铰接，形成一个三点静定结构。尾部配重箱也是上侧采用拉杆与上部转台铰接，下侧采用压杆与下部转台铰接，形成一个静定结构。由于悬臂较长，布置上将悬臂尽可能向下布置，使得拉杆的角度尽可能增加，减少拉杆对悬臂产生的附加压力。悬臂胶带机的布置形式与普通地面胶带机接近，有中间架、支腿等材料。头尾滚筒与悬臂及平台固定，为有效降低悬臂重量，驱动和张紧均布置在胶带机尾部。头部卸料滚筒与悬臂固定，不移动。尾部驱动滚筒和增面滚筒通过一个支架连接到一起，驱动装置也直接固定在该支架上。螺旋拉紧机构则一端与平台固定，另一端与该支架固定。受空间限制，张紧机构行程较小，为达到较长的张紧行程，在平台上开有一排距离相同的孔，该孔距离与张紧底座与平台固定的孔呈倍数关系。张紧到一定行程后，可以将张紧底座向前移动一个距离继续张紧。

图11 霍林河堆取料机堆料机布置形式

3.3、工字型悬臂梁的简单计算

堆取料机悬臂梁大体上为以上几种结构形式，在理论计算时，单纯的悬臂形式（图5、图6）可以按照简单的悬臂梁来计算其挠度和应力值，作到设计结构的合理和优化。

例如简单的悬臂双工字梁结构的断面如图12所示，在计算时可以近似的认为梁整体的截面模数和惯性矩是2倍的单工字梁截面的截面模数和惯性矩，单工字梁的截面模数和惯性矩公式为：

截面轴惯性矩：Jx=(BH3-bh3)/12

抗弯截面模数：WX=(BH3-bh3)/6H

图12悬臂双工字梁结构的断面 图13 工字梁计算尺寸

在计算梁的挠度和强度时，由于臂架一端与整机的主体相连接，另一端悬臂，可以按照悬臂梁计算公式来计算，梁受力按滚筒对梁为集中载荷，胶带机对梁为均布载荷，物料对梁为均布载荷，梁的自重也看作均布载荷，由材料力学计算公式可计算出梁在受集中载荷和均布载荷时的挠度和弯矩，

（1）集中载荷挠度和弯矩计算公式：

集中载荷挠度：F A=Pl3/3EJ

集中载荷弯矩：MX= - PX

FA：挠度；

P：集中载荷；

E：弹性模数；

J：截面的轴惯性矩；

MX：弯矩；

（2）均布载荷挠度计算公式：

均布载荷挠度：F A=ql4/8EJ

均布载荷弯矩：MX= - qx2/2

FA：挠度；

q：均布载荷；

E：弹性模数；

J：截面的轴惯性矩；

MX：弯矩；

（3）应力计算公式为：

δ= M/A

A：截面积；

M：弯矩；

[δ]：材料的许用应力；

悬臂梁的总挠度和弯矩即为集中载荷和均布载荷所求得挠度和弯矩的和，由此可判断梁的挠度和应力是否符合要求，结构是否合理。

对于图7和图8中较为复杂的悬臂梁结构，手工计算比较困难，现在多采用有限元软件分析。堆料机有限元计算目前基本上以静力学为主，首先利用各种软件建模。然后将手工或其它力学分析软件计算出的胶带张力以及其它外部载荷对悬臂加载，加载完成后进行有限元计算最终根据计算结果调整原有设计方案。在外载选取上除了正常的风、雨雪荷载外，物料与胶带机零部件如滚筒、托辊、胶带等一般也作为外部载荷计算。

根据悬臂动作的不同在计算过程中对悬臂分成多种工况进行受力分析，如液压俯仰机构的堆料悬臂，一般计算六种工况：空载水平、空载上仰、空载下俯、满载水平、满载上仰、满载下俯。对于臂式斗轮堆取料机，计算悬臂时则增加过载状态下的下俯、上仰、水平三种工况。一般情况下，根据计算结果调整堆料悬臂的配重，使配重的数量首先满足设备重心不超过一定的回转半径范围，然后根据配重调整情况计算油缸的受力情况以便确定油缸的工作压力和缸径。

对于固定不俯仰的堆料悬臂则只分析两种工况：空载和满载。为保证设备重心位于设定的回转半径内，也根据计算结果调整设备配重的数量。

通过静力学分析获取第一手设计资料，但是由于静力学分析不能完全满足设计要求，如计算过程中没有计算惯性力对设备的影响，更没有考虑零部件的振动对悬臂的影响等，所以说静力学分析在一定程度上满足了目前的计算需求，但是由于很多参数的不确定性也决定了各参数选取的保守性。

在静力学分析状态，有时候不采用有限元分析软件，而是通过手工计算方式，利用材料力学、结构力学等公式手工简化、加载计算结构件的最大值。在这种计算方式下，只能够计算某个节点的最大载荷，而很多时候该数据出入较大。手工计算只适合于变化比较单一的简支梁。如果悬臂梁上面增加一些杆件，变成桁架结构时会增加很多难度。

五、结束语

通过对臂架进行理论分析可以增加对设备力学特性的了解；通过计算结果对设备进行适当的处理，使设备即能达到了设计要求的性能，能够安全可靠的运行，又能节约成本，作到合理的布局结构，优化设计。

由于堆取料机在水泥行业起步较晚，虽然近几年发展较快，但还没有一套比较完整的理论体系，包括内部各种参数的选择和计算。在设计时主要是参照设计和类比设计，因此就要求我们在设计工作中，不断的学习和研究，摸索出一系列的理论计算方法，并要结合实际中设备的应用情况，完善整个计算和设计工作。针对技术问题，通过对设备的考察和不断的学习国内外的先进技术来完善自身的不足，勇于创新、积极进取争取及早赶超发达国家的技术水平。总之，要善于总结经验教训，认真学习和总结积累国外堆取料机的先进技术，把握住设计、制造及外配套件的选型等几大难关，就完全可以保证堆取料机的质量，使我国的大型堆取料机设备走向国际化市场。

参考文献

[1]高长明著 《矿物原料预均化》中国建筑事业出版社 1983年

[2]石必孝高译 《国际先进水泥工艺装备手册》武汉工业大学出版社1989年

[3]王玉兴等 《臂式斗轮堆取料机的发展与研究对象》建筑机械1999年

[4]童忠钫、俞可龙《机械振动学》（随机振动）浙江大学出版社1992年9月