悬臂式斗轮取料机臂架下沉原因分析及处理

1、故障现象

我港起步工程配置的取料机09年投入使用，设计额定能力为6000t/h，瞬时最大能力为6700t/h。在15年1月初，R1-1取料机在底层取料时，当作业流量接近额定流量时，臂架会突然下落，导致轮斗啃地。取料机臂架下沉，不仅影响取料作业安全，而且对取料机也有很大的损伤。

图1 取料机整体外观图

斗轮取料机俯仰装置采用液压系统驱动，臂架的升降是由两根大型油缸的伸缩实现的。俯仰油缸安装在臂架回转中心后，如图1所示，在臂架俯仰完成后，油缸使臂架保持在固定的俯仰位置。

2、原因分析

在深入分析臂架俯仰机构的原理后，我们发现如果俯仰液压系统有泄露情况的话，那么油缸就无法使臂架保持在固定的俯仰位置，而俯仰液压系统的外接管路和各阀块无泄漏，因此判断系统内泄是导致臂架下沉的主要原因。为了确定是管路上的液压锁内泄还是油缸内泄，我们使用压力表进行测量。将两个压力表接在油缸测压点G6（无杆腔）和G7（有杆腔）上，如图2所示，让臂架做俯仰动作，下俯过程中测得G6点压强为6MPa，G7点压强为2MPa；下俯停止后，立即将截止阀31.1和31.2关死（以便单独检测油缸），G7点压强从2MPa以很快的速度（20秒左右）上涨到6MPa，然后G6和G7点压强在1分钟内由6MPa上涨到8.5MPa，所以我们判断是油缸内泄。

为确定是一根油缸还是两根油缸内泄，我们需要继续检测，方法是：压力表依然接在测压点G6和G7上，让臂架下俯，停止后立即将截止阀42.3和42.4关死，单独检测左侧油缸（43.1），发现G6、G7点压强变化和上面一致，判断左侧油缸内泄，且内泄较严重；重复上述步骤检测右侧油缸（43.2），发现G6、G7点压强无变化，判断右侧油缸无内泄。由于两油缸在同步液压回路上，单根油缸内泄后，另一根油缸也起不到支撑臂架的作用了，所以取料时臂架会下沉。

图2 俯仰液压系统部分原理图

3、处理方案

找出了臂架下沉的根本原因和内泄的油缸，为解决问题，需要更换内泄的油缸。油缸重达6t，安装高度距地面约为15米，更换难度大；自开港以来，未更换过俯仰油缸，没有成熟的更换工艺；臂架尾部配重较大，担心贸然拆下油缸后，会影响臂架钢结构稳定性。因此必须制定安全合理的更换工艺方案，在借鉴其他港口的经验基础上[1]，我们制定出如下工艺方案。

工艺方案内容为：（1）将臂架放到维修支架上，并在垂直和水平方向上锁住臂架；（2）关闭右侧油缸的上下截至阀（42.3和42.4），拆卸尾部配重，使整机臂架前后力矩平衡，防止臂架受拉力过大变形；（3）用测压软管将左侧内泄油缸上下腔的压力泄到零，确保安全后拆下油缸外接管路和各限位开关，并把管路接头处包好，防止杂物进入管路内；（4）拆卸内泄油缸后，安装新油缸，将油缸无杆腔端销轴装入底座，接好管路和限位开关，就地操作油缸做伸缩动作，为新油缸冲油排气，然后用手动泵调整有杆腔端位置，以便顺利安装完油缸；（5）新油缸安装完成后，打开右侧油缸的截止阀，让臂架在正常范围内做俯仰动作，彻底排净油液中的空气，同时检查油箱油位，及时进行补充；（6）安装之前拆下的配重，继续让臂架做俯仰动作，全面检测液压系统参数，如油缸压力、泵的排量和泵的声响和振动等，确保一切正常。

为了得出拆卸多大质量的配重才能满足步骤（2）中的要求，我们需要进行计算。根据现场实测油缸压强，我们知道空载时油缸处于受压状态，而在空载时臂架前后力矩是平衡的。根据这一关系可以计算出要拆卸的配重质量△m。

图3 俯仰机构简图

未拆卸配重时，根据俯仰机构简图可知臂架力矩平衡方程为：

G斗轮L臂架+ G臂架L臂架/2=F拉杆L1 （1-1）

G配重（L3+L4）- F油缸 sinθL3= F拉杆L2 （1-2）

摘掉配重△m后，俯仰油缸应不受力，即F油缸为0，而臂架前部的质量无变化，则臂架力矩平衡方程为：

G斗轮L臂架+ G臂架L臂架/2=F拉杆L1 （2-1）

(G配重-△mg)（L3+L4）= F拉杆L2 （2-2）

两组方程分别相减后即可得出需摘掉的配重质量的计算公式，即：

△mg(L3+L4)=F油缸 sinθL3 （3-1）

式(3-1)中：L3为油缸支点到三角架铰点的距离，7.2m，如图3所示；

L4为油缸支点到配重中心的距离，12.1m；

H为铰点到俯仰平台的距离，8.4m；

g取9.81N/Kg；

θ为油缸与支架的夹角，由L1和H的数值经三角运算得49.4°；

俯仰油缸所受压力 F油缸=2（F无杆-F有杆）

F无杆=P无杆S无杆

F有杆=P有杆S有杆 (3-2)

油缸无杆腔直径360mm，液压杆直径280mm，空载下俯测得无杆腔压强6MPa，有杆腔压强2MPa。将数据带入式(1-2)，计算出F油缸=1060064N，带入式（1-1），计算出△m=30.64t。即需要拆下30吨的配重。

4、现场施工

更换工艺方案通过后，申请维修时间更换油缸。租用70t吊车一辆，吊装油缸和配重块。在吊配重前，关闭截至阀42.3和42.4，将压力表接在测压点G8和G9上，以便实时检测完好油缸的压力值，开始时测得有杆腔、无杆腔压强均为8.5MPa，因为锁住臂架所消耗的时间已足够是油缸上下强压力泄到8.5MPa，当有杆腔压强为无杆腔压强的2.5倍时，说明配重块摘得刚刚好。（因为无杆腔面积是有杆腔面积的2.5倍，所以当有杆腔压强为无杆腔压强的2.5倍时，上下腔压力平衡，臂架前后力矩平衡）。臂架尾部共有11块22t的大配重块，上面还有7块5t的小配重块。为吊装方便，我们摘得是小配重块，当摘得第6块小配重块时，无杆腔压力降为3.5MPa，有杆腔压力无变化，有杆腔压力约为无杆腔压力值的2，5倍，说明计算出的应拆卸的配重值合理。

为节省维修时间和吊车租赁费用，直接将俯仰油缸销轴用气割切除，安装新油缸时使用新销轴，更换工期为3天。因前期准备工作和理论计算充分，更换油缸安全且顺利，新油缸试车一切正常，期间为油箱补充了200L液压油。

5、结论

更换完油缸经过一个月的正常使用，未发现异常，臂架下沉现象已解决！