摘 要

斗轮堆取料机是新型连续装卸机械的一种，它主要运用于散料的堆放，储存，挖掘和生料的均化。斗轮堆取料机是一种效率非常高的堆放取料双管齐下的装卸设备，利于斗轮机构，它可以将储料场的原料运走，又可以通过堆取料机上的输送机将原料运送到料场存放。基于以上背景，本文设计的是斗轮堆取料机中的斗轮机构，采用的是无格式斗轮，液压传动的方式，本文主要包含以下内容:

（1）对国内外的悬臂式斗轮堆取料机技术和研究现状进行了深入的研究，发现各国的斗轮堆取料机都逐渐通用化和标准化，使得我们能充分利用能找到的资源进行自己的设计。

（2）考虑到斗轮机构运转的实际情况和工作要求，对斗轮体的结构进行了深入的研究，通过solidworks建立了三维模型，并完成了其结构设计和校核。

（3）通过计算确定了斗轮机构各个零部件的参数并对使用的电机进行选型计算。

关键词：斗轮堆取料机；斗轮机构；基本参数；三维建模

Abstract

Bucket Wheel Stacker is a new type of continuous loading and unloading machinery, which is mainly used in the stacking, storage, excavation and homogenization of raw materials. Bucket Wheel Stacker is a very efficient stacking material two-pronged loading and unloading equipment, conducive to the bucket wheel mechanism, it can remove the raw materials of the storage yard, but also through the conveyor on the conveyor will be transported to the material yard storage. Based on the above background, this paper designs the bucket wheel mechanism in the bucket wheel stacker, using the mode of unformatted bucket wheel and hydraulic transmission, this paper mainly includes the following contents:

（1）The technology and research status of cantilever bucket wheel stacker at home and abroad are studied deeply, and it is found that the bucket wheel stacker in various countries is gradually universal and standardized, So that we can make full use of the resources we can find to carry out their own design.

（2）Taking into account the actual situation and work requirements of the operation of the bucket wheel mechanism, the structure of the bucket wheel body is studied in depth, the three-dimensional model is established through SolidWorks, and its structure design and verification are completed.

（3）The parameters of each component of the bucket wheel mechanism are determined by calculation and the type calculation of the motor used is carried out.

Key Words：；Bucket wheel stacker feeder; bucket wheel mechanism; basic parameters；3D modeling

目录

摘 要 I

Abstract II

1 概述 1

1.1 斗轮堆取料机简介 1

1.2斗轮堆取料机市场需求 3

1.3斗轮堆取料机国内发展现状 4

1.4斗轮堆取料机的研究方向 5

2 悬臂式斗轮堆取料机总体设计 7

2.1总体设计概述 7

2.2悬臂式斗轮取料机构成 7

2.3悬臂式斗轮取料机的主要参数及其确定 7

2.3.1取料的理论生产率 8

2.3.2斗轮取料时每层深度 9

2.3.3料堆高度 9

2.3.4料堆长度 9

2.4斗轮机构参数及其确定 10

2.4.1斗轮直径的确定 10

2.4.2铲斗数目的确定 10

2.4.4铲斗容量q的确定 11

2.4.5斗轮切割速度的确定 11

3 悬臂式斗轮堆取料机部件设计 13

3.1斗轮机构设计 13

3.1.2斗轮取料机构构成 13

3.1.2斗轮驱动电机选用 15

3.1.3液力偶合器选用 17

3.2齿轮设计与校核 18

3.2.1销齿传动设计 18

3.2.2斗轮轴的设计及校核 23

参考文献 26

致 谢 27

1 概述

1.1 斗轮堆取料机简介

斗轮堆取料机简称斗轮机，是现代化工业中便捷高效的进行连续装卸散状物料的一种重要设备，我们的日常生活离不开能源供应，设备的运转更加少不了能源供应，发电，机械，机床，从大到小，从简单到复杂，我们日常驾驶的汽车也都是通过各方面的能源供应才得以实现，在当下生活中，煤炭是一种必不可缺的能源资源，本文叙述的是一种大型的煤炭作业设备，它的主要作用是用于港口、码头、冶金、水泥、钢铁厂、焦化厂、储煤厂、发电厂等大型综合散料场，如矿石、煤、焦炭、砂石等在存储料场的堆放、挖取、提取作业。

如果采用传统我们常见的作业方式，也就是“装载机—自卸汽车”的系统作业，它的作业路线是这样安排的：首先装载机在铲入—举升—旋转—行走—卸载—空转—空行程，这样一个循环的作业当中，作为作业主体的装载机既要完成取料任务，又要开展输送任务，整个过程中辅助作业时间几乎占用2/3还多。真正产生价值作业的时间只有三分之一；而与其搭配的自卸汽车载重量受到限制，还要不停的往返，路程长也多，工作效率很低，在现代能源供应需求上，确实很难满足电厂发电的用煤需求量，在这样的市场行情下，连续装卸机械应运而生。

连续装卸机械的设计价值就是要缩短辅助作业时间，最大化的提高作业效率，采用这类机械还可减轻了工人劳动强度以及降低作业风险。而连续装卸机械的代表机型则是斗轮堆取料机，该机种在同等功率的使用情况下，能够带来的生产效率是单斗装载机的1.5～2.5倍。

斗轮堆取料机的类型不多，因为都是大型设备，研发投入和周期都比较长，主要的类型有悬臂式（见图1-1）与门式（见图1-2）两种构造。在控制方式上也有分手动、半自动和自动等^[1]。

图1.1 悬臂式斗轮堆取料机

图1.2 门式斗轮堆取料机

1.2斗轮堆取料机市场需求

会发展是一切经济发展的源泉，在整个国民经济增长的带动影响下，原材料工业、能源、石油、化工、汽车等各个行业都会有非常大的发展。发展的同时也带来了行业需求，而这些行业发展将直接会带动散料机械这个装配工业设备的的发展。

就钢铁工业而言，受建筑、汽车这两大工业领域的影响，钢铁工业飞速发展，特别是汽车进入百姓耐用消费品市场已经开始，每年产汽车生产总量接近1亿辆，需求量惊人，汽车产业的发展也拉动钢材的需求量。使得我国已经连续8年稳居世界第一需钢、消钢和产钢大国。截止到2012年钢的产量已经达到2.8亿吨，并以每年600万吨的速度在极速增长。而建筑业的发展和技术的提高加大了对钢铁的需求，各个地区的高速公路，铁路，隧道等工程建设络绎不绝，各个省份更是有摩天大楼项目在不断涌现，随着建筑业的不断发展这一行业对钢铁的需求会更会加大^[2]。

钢铁的制造发展离不开矿石和煤炭等能源基础，更是生产基础，国产矿石和目前进口的矿石数量已经满足不了现有的钢铁企业生产要求，会有更多的矿石、各类矿原料源源不断的进口到中国，而煤炭和矿石的运输和储存则必须使用到散料机械转运机械等，即便是在国内有常年有大量的煤炭经过北方港口装船运往南方，所以，在钢铁行业快速发展的推动下，在港口和钢铁企业，散料机械将会迎来一个高速发展的市场空间，并且将持续相当长的时间。

而电力方面的供应也是有极大的隐患，前几年部分省份的电力部门经常出现了供大于求的矛盾，部分电厂只好被迫采取限制发电或只是部分机组开机，严重影响了生活和工业发展，受国民经济持续增长的影响，各行各业用电量也在不断的增长。为缓解和解决电力紧缺的问题，甚至预防这类问题的发生，在电力方面必然会加大其投入。随着电厂的增加使煤炭的需求量增加，各个煤矿也势必需要加大煤炭产量，以满足电力市场对煤炭的需求，市场的需求远远大于目前的供应水平，设备发展还有长远的道路要走。

1.3斗轮堆取料机国内发展现状

国内开展堆取料机的设计与研发历程已有近四十于年的历史，在那个年代，各方面资源能源都是紧缺的，当时国内部分钢厂、码头急需使用能满足取料输送要求的设备，为满足当时的社会需要和行业需求，我国开始了开发斗轮堆取料机的历程。

最早进行的斗轮堆取料机设计可以追溯到1966年，当时参加设计和研发工作的都是国内顶尖的技术团队，比较知名的单位有：北京钢铁设计院、大连工矿车辆厂、北京起重机械研究所、鞍山钢铁设计院、哈尔滨重机厂、华北电力设计院、东北电力设计院、西北电力设计院等单位，这些单位和人员的辛勤付出为中国斗轮堆取料机事业的早期发展做出了巨大的贡献，也为该类机型的发展打下了良好的基础，当时的典型设备型号为KL-1型，KL-4型，DQ3025型，DQ5030型；当时生产制造出的设备投入使用到现今也有四五十年的悠久历史了^[3]。

到了八十年代，随着国内电力工业和钢铁等众多工业的迅猛发展，斗轮堆取料机的事业以及产品线也得到了十分迅猛的发展，特别是在电力使用高的部门在数量上有了很大的提高，并且在港口上的使用量和使用频率剧增。宝钢的原料码头，秦皇岛港、连云港、北仑港、西基港、烟台港、天津港、大连港等相继一大批港口增设了散料码头，专门用于煤炭或矿石等物料的高效的转运。 九十年代国内斗轮堆取料机的更是向这企业行业联合事业化，以及应用更广的方向发展。在钢铁企业、电力企业、各大港口几乎都可以看到斗轮堆取料机的应用，它们每天忙着输送和转运各类物料散料，与往来船只遥相呼应，带来了勃勃生机。在港口人们也已经把斗轮堆取料机当作一种港口机械。

在后来的产品技术发展桑，我国也经历了进口设备以及技术引进的道路，进口和技术的引进可以极大的缩短了国产设备和国外设备的差距，使国内在本行业的产品品牌和使用质量上有了很大的提高。可以很快满足市场需要，特别是紧缺的地方；

经过了几十年的产品优化发展，我国的斗轮堆取料机研制与制造水平上取得了较大提高，时刻都在研发前进的路上，目前国内的产品质量基本可以满足国内用户以及行业使用的要求，又可进行独立设计制造斗轮堆取料机的厂家已然达七八家之多。

1.4斗轮堆取料机的研究方向

科技发展日新月异，每时每刻都在发生着变化，随着时代的发展，生活需求也越来越高，能源供应也越来越紧张，设备的更新换代与创新研发必不可少，现代悬臂式斗轮堆取料机目前各主要生产厂家都在积极的对其进行开发设计；

虽然国内外众多厂家都已对斗轮挖掘机进行过多方面的设备结构以及使用作业问题等研究，但对于斗轮堆取料机的核心设计，也就是其工作装置的运动仿真分析以及其在动作变幅装置的多工位动态性能分析的相关类型报道并不多见。而国内在斗轮堆取料机的研发与制造过程中，往往比较多的类比国外对斗轮挖掘机的研究成果和现有机型的各种参数，即缺乏创新创造能力，也缺少科学的数据仿真动态设计依据，以至于国内产品常常都会冒出质量较差，故障率高等等问题，根本原因还是创新意识还不到位，没有足够重视^[4]。

根据这段时间我对该类机型的调查和了解，虽然斗轮堆取料机在结构上与传统的斗轮挖掘机有些许相似之处，但区别也很大，最主要是体现在它们两者所面对的作业对象的不同，首先斗轮挖掘机基本上是在矿场作业，面对的作业对象是矿岩居多，而斗轮堆取料机的作业对象更多是面对是散料，因此，在机械臂和取料的末端工作机构的执行结构和控制元件的刚度强度等方面有较大的差别和设计要求，这些决定了设备在动态性能上有着质一般的差异。现如今唯有采用科学的、现代化设计方法和设计手段，才是提高斗轮堆取料机研发质量，产品质量的主要和成功的途径。

随着自动化技术与网络科技的综合应用发展，设备上不仅仅只有钢铁组成，还有众多科技化含量的综合应用，发达国家斗轮堆取料机技术进入了一个新阶段，目前的发展趋势除原有的设备性能特点之外，还增加了些新的设计与需求内容，主要表现有以下四个方面：

（1）从市场需求角度分析，理论上生产的方向可以向大型化发展。既是研制生产效率更高、作业范围更广的机型。

（2）目前设备使用率和数量越来越高，也越来越多，每个国家的生产厂家都有这自己独到的研发与生产系统，这一点是差异化战略导致的发展路线，关键的是在自己的生产体系下，要着重去实现斗轮堆取料机的生产系列化。这样带来的好处将用之不竭，可使得某些零配件，如铲斗、履带板、驱动轮等通用化、标准化，设计上可以更加快速，使顾客更方便地在市场上买到更换的配件，市场反应会更加良好。

（3）斗轮堆取料机的自动化应用是必不可少的趋势，通常设备上都配备有信号、事故预报等安全辅助装置，这些装置如果与联锁的操纵装置联系在一起，实现一体化控制，那整机设备的安全性会更加完善，实现作业和保护的自动控制。也可提高安全性，整机的工作稳定性和作业能力极大的飞跃提升；

（4）应用三维设计，三维分析，有限元分析等设计方法与研发验证手段，进行整体的结构方面优化组合，在保证生产能力的前提下，尽量减轻整机的重量，提高设备的可靠程度，也更加便于拆装和运输。

2 悬臂式斗轮堆取料机总体设计

2.1总体设计概述

斗轮机构基本参数的确定通常是根据额定生产率Q额确定斗轮直径D, 再参考同类型的斗轮堆取料机确定斗轮的切向速度或斗轮转速, 然后根据斗轮的结构选取卸料速度系数k2和无因次的形状系数w, 从而确定铲斗数Z，铲斗容积q^[5]。

• 物料种类为煤
• 物料密度为 0.85t/m³ 粒度为0~300mm

2.2悬臂式斗轮取料机构成

悬臂式斗轮取料机的组成相当复杂，由数千个零件构建而成，而其主要部件是最下方负责移动位置的行走机构、设备安装主体的底座、上部负责回转的机构平台、最前方负责堆取料的斗轮机构、斗臂架和斗臂架带式输送机、门架、俯仰机构（角度变幅装置）、平衡梁架和配重、操作室、电器设备控制室等。（见图2.1）

图2.1 悬臂式斗轮取料机结构

2.3悬臂式斗轮取料机的主要参数及其确定

悬臂式斗轮取料机的参数分为主要设备参数和工作性能参数两个方面。

悬臂式斗轮取料机的主要设备参数决定了它的规模、主要技术性能参数和主要结构形式。悬臂式斗轮取料机的主参数包括带来生产值的取料生产率和能够作业的料堆高度、长度、宽度。主要参数通常情况下由用户提供给制造方，作为已知量供给制造方的产品设计开发者。

悬臂式斗轮取料机的工作性能参数则在一定条件下决定了设备本身各个执行机构的结构形式、尺寸、功率、转速性能等。这类工作性能参数大致包含：斗轮直径、斗轮转速、斗数、料堆切割受到的阻力；斗臂整架回转半径、回转角度和俯仰变幅的角度等^[6]。

2.3.1取料的理论生产率

悬臂式斗轮取料机的取料理论生产率，它是最终的价值体现，体现在于它带来的生产价值，它决定了设备的一个最大能力，那就是设备与之配套的带式输送机可以通过的最大物料输送能力。这个参数影响的因素很多，是设计初最开始要考虑的一个设定值。

通常取料能力是这样定义的，它是指斗轮取料机在单位时间（分钟）（小时）内所能挖取物料的多少，单位多用t/h进行表示。在实际应用中又分为最大取料能力与额定的取料能力值。最大取料能力是指斗轮在挖掘物料时所具备的瞬间能发挥的最大能力，它代表了设备取料能力的最大峰值。在整个设备系统的设计环节中，必须考虑到各个作业环节允许最大取料能力的物料通过值。

额定取料能力是指在取料作业时，在规定的标准形状料堆上连续工作一定的时间，操作者根据作业前设定的操作程序和方法进行作业操作，设备在这段作业时间内可以达到的平均取料速度或平均每小时取料量。

根据查询设定已知所要设计的悬臂式斗轮取料机的最大取料能力为500t/h这个值已知所要设计的悬臂式斗轮取料机的最大取料能力为500t/h,主要挖取密度的煤，斗轮转速

理论容积生产率：

= （2.1）

式中： 最大取料能力，；

物料密度，

代入公式得: =

2.3.2斗轮取料时每层深度

根据使用经验和科学计算得知，取料煤层深度控制在相当于斗轮直径的0.5～0.7倍的数值范围内比较合适，斗轮取料时的进尺量应当按照0.9倍的斗深来进行作业设定。在满足取料能力要求的前提下，进尺量过小可以使得斗轮取料机的回转速度加快。

2.3.3料堆高度

这方面涉及到设备的行走系统，为了设计更便捷，常以行走机构组成的钢轨踏面为设定的基准，料堆高于钢轨路面的部分则被称为轨上高度。料堆低于钢轨踏面的部分称为轨下高度，轨上与轨下两数值的和为总料堆高度。

料堆高度通常由物料堆积的安息角和料堆宽度两个数值进行关联决定的，物料的安息角与物料的种类有比较大的关系。在满足堆料宽度一定的条件下，当料堆的物料安息角越大，料堆总高度则会越高。同样情况下，当满足物料安息角一定的条件下，料堆越宽，料堆的总高度则也会越高。

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