摘 要

刮板取料机是一种高工作效率的室内设备，而高效的卷扬提升系统正是其高工作效率的来源。取料臂、钢丝绳、动滑轮组、链轮、卷扬机、行走机构等部件相互配合协调工作，共同完成取料的目的。此次研究主要对这几个关键的零部件进行设计，在结构上需达到所要求的强度和刚度，在性能上需达到所要求的寿命和效率。另外，刮板梁工作时的三种状态所对应的工作角度和极限角度设计也是重点，工作角度和极限角度会对取料臂的变幅速度和变幅量产生重要的影响，从而影响取料量和刮板的吃料深度的设计等等。因此，卷扬提升系统的设计是侧式刮板取料机设计的重中之重。

研究所做的具体工作有:

1. 查阅大量文献，对比国内外的发展现状，总结国内的不足。
2. 了解刮板式取料机的结构组成和工作原理。
3. 选择取料臂的结构形式，确定工作角度，以及进行力学分析。
4. 对行走机构中的减速机电机进行选型，同时设计行走机构的驱动车轮组和从动车轮组。
5. 根据通用的设计标准和校核准则，设计并校核楼梯和爬梯。
6. 考虑平台通道的承载，选择力学性能良好的钢格板材料。
7. 对设计进行修改和优化。

该研究是为了设计出更加标准化的侧式刮板取料机的卷扬系统，给后来的设计者提供设计的模板，提高其设计的效率。

关键词：侧式刮板取料机 取料臂 卷扬提升系统

Abstract

The scraper reclaimer is an indoor equipment with high work efficiency, and an efficient hoisting and lifting system is a source of high work efficiency. The receiving arm, steel wire rope, moving pulley group, sprocket, hoisting machine, traveling mechanism and other components cooperate with each other to achieve the purpose of material collection. This study mainly focuses on the design of these key components. The required strength and stiffness must be achieved in the structure, and the required life and efficiency must be achieved in terms of performance. In addition, the work angle and limit angle design corresponding to the three states of the scraper beam work are also the key points. The working angle and the limit angle will have an important influence on the amplitude and amplitude of the take-off arm, which will affect the reclaimed material. The design of the amount of material and depth of the scraper, etc. Therefore, the design of the hoisting and lifting system is the most important aspect of the side scraper reclaimer design.

The specific work done by the Institute is:

(1) Review a large number of documents, compare the development status at home and abroad, and summarize domestic deficiencies.

(2) Understand the structure and working principle of the scraper-type reclaimer.

(3) Select the structure of the picking arm, determine the working angle, and perform mechanical analysis.

(4) Select the type of reducer motor in the traveling mechanism and design the driving mechanism and the driven wheels.

(5) Design and check stairs and ladders according to common design standards and verification criteria.

(6) Considering the bearing of the platform channel, choose a steel grating material with good mechanical properties.

(7) Modify and optimize the design.

The study is designed to design a more standardized side scraper reclaimer winch system, to provide later designers with design templates, to improve the efficiency of its design.

Keywords: the side scraper reclaimer retrieving arm hoisting and lifting system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.3 本章小结 4

第2章 总体方案设计 5

2.1侧式刮板取料机工作原理 5

2.2侧式刮板取料机的分类 5

2.3 卷扬系统的结构构成 7

2.4 本章小结 8

第3章 卷扬系统部件设计 9

3.1 取料臂的设计 9

3.1.1 结构设计 9

3.1.2 确定工作角度 10

3.1.3 力学性能分析 10

3.2 行走机构的设计 12

3.2.1 减速机电机的选型 12

3.2.2 结构设计 13

3.3 门架平台的设计 16

3.3.1 楼梯的设计 16

3.3.2 爬梯的设计 16

3.3.3 钢格板通道的设计 17

3.4 本章小结 17

第4章 侧式刮板取料机的装配 19

4.1 装配精度要求 19

4.2 装配图 19

4.2.1 总体总配图 19

4.2.2 门架平台装配图 20

4.2.3 行走机构装配图 20

第5章 总结 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

这项研究是受到一些重型工程机械的启发所展开的一个课题。当我在东风发动机和变速箱厂进行参观实习时，偶然观察到变速箱是由电机牵引悬挂着进行符合生产线的移动，这样大大降低了人工的操作强度，同时自然提高了工作效率，以公司的角度而言，高效率意味着高盈利。因此，我们可以尝试着改进一些原有的系统方案，从而达到提高工作效率的目的。而后，在东风卡车的总装厂实习时，有一个发现更是坚定了我的想法，当看到重大的车身被悬梁绳索180度旋转，从而更加方便工人来装载车轮和差速器以及发动机调速杆等。这个旋转可以说是整条生产线的分界点，将生产线分为了两个部分的组装，一个是车身上部分，另一个则是车身下部分的总装。这样的设计极大程度上提高了工作的效率以及汽车进行量产的可行性。由此可见，重型机械的运用在制造类企业生产制造过程中占据着举足轻重的作用。故而，我开始对重型机械进行研究，以侧式刮板取料机为例，以卷扬系统的高效设计作为研究课题。

本次课题研究的目的主要是通过设计悬臂侧式刮板取料机卷扬系统的结构为后来者提供标准的设计范例，从而使设计者的设计周期大大缩短，提高设计效率。

设计一个好的卷扬系统可以提高侧式刮板取料机的工作效率。卷扬系统作为侧式刮板取料机的重要组成部件，主要用于完成刮板取料系统的变幅，所以当更加准确的控制刮板取料系统的变幅，就能使得整个工作流程更加快速稳健高效。由此可见，卷扬系统的设计良好程度对于侧式刮板取料机的使用效率有着怎样的重要性，也从侧面间接地突出了此次设计的重大意义。

1.2 国内外研究现状分析

散货的运输、装卸在物流的运送和处理中占据了非常重要的地位。根据数据来看，世界的货物海运量在呈指数型增长，尤其是伴随着国力的增强，经济的全球化，货物的运输和传送就成了非常重要的角色，尤其是煤矿和石油这种不可再生能源的运输，占了货物运输中的90%。随着货物运输量的不断增大，堆取料机这种自动装卸货物的设备就应运而生了。这种自动化设备可以同步进行货物或者物料的装载、卸载、均匀化等多种处理，因此基于其重要的应用价值，各种关于其性能提高完善的设计就被不断地研究，也就迅速的投入了各种工程，更加广泛的应用于煤矿厂、化工厂、水泥厂以及各种港口的运输等等工作场合。堆取料机相对其他设备的优势主要是自动化程度比较高，可以降低工人的劳动强度，货物量大时能有效的降低运输成本，其次，高自动化也意味着工时的减少，大大的提高了运输效率。

堆取料机是斗轮机在发展的过程中衍生出来的一种堆取物料的设备。在19世纪早期，海外就已经决定对斗轮挖掘机着手研究，但是足足过了一个世纪，斗轮挖掘机才在工程上得到了应用，而且用途极其局限，大部分只是用来挖掘铁矿石，直到20世纪中后期，在斗轮挖掘机的研究中融入了当时不断成熟的焊接、液压技术，才使得斗轮挖掘机的加工制造获得了极大的完善。而后衍生出来的堆取物料机的机械结构功能自然就更加良好，在工程应用上体现出了极高的工作效率，因此使其在工业界也应用的越来越广泛。

虽然国内堆取料机的研究应用时间比较晚，大约比国外晚10～20年。不过中国的经济和科技的发展主要是改革开放后的这几十年，因此随着国家对科技研发的重视和巨大的资金投入，使得堆取料机的研究后来居上，而且同时大量的大型物料装卸港口也在不断的建设，让研究出来的堆取料机有着足够的用武之地。当然，堆取料机的研发并不是我们所想象的一帆风顺，而且到目前为止，相关的研究还在进行着，因为这种自动装卸物料设备依然有着明显的缺陷，需要不断的改善。据我所知，在这样的发展过程中，就已经淘汰了推土机、装卸桥等存在低工作效率的运输物料设备。尽管中国人的学习能力是世界上公认最强的，但我们依然要要向国外进口或者互相合作生产制造大型装卸物料设备以及高效的物料运输系统，同时我们也在研究着国外的先进设备，争取自主研发。随着设计方法变得越来越先进，再加上不断地推广，国内的堆取物料设备研究在很多方面都取得了长足的发展，比如结构的形式愈来愈多、产品的可靠性、设计的效率等都得到了很大的提升。

随着堆取料设备的应用越来越广泛，它的结构形式也在不断变化，于是产生了各种不同的结构，如此才能使堆取料机应用于不同的工作场合。 

目前在国内刮板式取料机取料臂的结构形式有着三种，主要是板梁式取料臂、桁架式取料臂和圆管式取料臂。这三种结构形式对于不同的工作场合来说各有优劣。不过随着待取散料量的增多，圆管式取料臂和桁架式取料臂用的比较广泛。

图1.1 板梁式取料臂

图1.2 桁架式取料臂

图1.3 圆管式取料臂

堆取料机的广泛并不意味着它的技术已经完全成熟，我们仍然要认真努力的研究，尤其是在产品设计和制造工艺方面的研究决不能停止，因为这两方面存在着明显的不足之处，主要体现在：

1）当前国内大多数堆料机的结构还停滞在非常老旧的经验设计阶段，而且设计出来的产品结构性能总是无法实现最优的效果，无法充分的发挥材料性能，使得资源产生浪费；

2）结构形式的设计考虑没有面面俱到，忽略了实际工作的环境影响因素，比如在露天下工作的堆取料机极有可能受到非常大的风载荷，使得结构局部失去稳定性，从而影响设备的正常工作；

3）关于取料机配重的设计，是关乎设备的寿命问题,如果配重设计的过大或过小会使其寿命缩短,能耗增加；

4）堆取料机的主要钢构件尺寸设计不合理，在冲击较大的载荷下工作，会使得设备生产无法顺畅、零件受到损害、寿命大大缩短等问题。

1.3 本章小结

本章主要是介绍了关于此次研究对象侧式刮板取料机的国内外发展现状，对国内堆取料机研究的不足之处做了总结。然后介绍了如今刮板式取料机的分类以及分类的依据，希望读者能对刮板式取料机的种类框架有一个整体的认知。最后主要介绍了此次研究的背景，即为什么会产生做这个研究的想法，还阐述了此次研究所主要做的内容和工作，说明了做这项研究的目的以及这项研究背后所存在的意义。

第2章 总体方案设计

2.1侧式刮板取料机工作原理

侧式刮板取料机的系统结构主要是刮板取料系统、卷扬系统、轨道系统以及一些控制模块所组成的。

刮板取料系统是由刮板梁、刮板、链轮、链条、驱动装置等所组成的。卷扬系统主要是由取料臂、行走机构、门架平台所组成的。

悬臂侧式刮板取料机在一般情况下都与侧式堆料机配合使用。侧式堆料机在一侧通过其驱动装置的特定设置做往复匀速直线运动，从而达到分时分仓堆料的目的。同时取料机的取料臂在做往复运动进行取料的工作，中途如果掉仓则还需要行走机构的往复运动来配合取料臂的取料工作。取料动作的完成主要是依靠取料臂上的行走端梁和刮板取料系统的刮板梁，行走端梁做纵向往复运动，而刮板则横向刮取物料。在取料的过程中，取料臂是通过卷扬系统的带动下，调整其俯仰角度，使其快速而平稳的置于料堆之上，然后根据提前设计好的吃料深度再次调整下俯工作角度，采取按层刮取物料的方式，完成目标取料量。此外，不同时间段的物料可堆放在一起，当取料臂进行取料时，是经过全断面纵向取料，使得这些混合不同时间段的料堆可以更好地混合均匀。

整个悬臂侧式刮板取料机的控制模块包含控制室即操作室，动力电缆及其卷盘，控制电缆及其卷盘。一般来说整个取料机设备的控制方式有三种，即手动控制、机旁控制和控制室控制。大多数正常工况下，采用的都是控制室集中控制，在控制室写好工作时的指令，通过电路控制模块，将信号传递给设备各个组成部分的电机，使得整个设备正常有序的运转，完成取料工作。当发生意外状况，比如设备出现不明故障时，则需要采取手动控制和机旁控制，这两种控制方式主要是用于设备的维修和调试。

2.2侧式刮板取料机的分类

刮板式堆取料机自从发展以来，出现的种类愈来愈多，功能也逐渐体现除了多样化的趋势，目前总体来说可以按照几个明显的特征分为几大类：

1. 按照储料料场形式的不同可分为长形料场用和圆形料场用（图1.1）。长形料场用又可分为侧式刮板、半门式刮板、单刮板门式、双刮板门式、三刮板门式以及桥式取料机。圆形料场用可分为桥式刮板、配重侧取式和门架侧取式等取料机的种类。

图 2.1 按储料料场形式分类

1. 按取料方法的不同可分为行走式和回转式（图1.2）。行走式又分为侧式、半门式、门式、桥式和门架侧取式取料机。回转式种类则主要是配重侧取式取料机。

图 2.2 按取料方式分类

按照取料臂数量的不同，可分为单刮板式、双刮板式、三刮板式取料机（图 1.3）。

图 2.3 按取料臂数量分类

2.3 卷扬系统的结构构成

卷扬系统主要是由取料臂、行走机构、门架平台所组成的。其中取料臂是刮板取料机的主要钢结构部件，通过钢丝绳、动滑轮组、连接架、支撑圆筒连接在门架平台上，与刮板取料系统的部件相互配合共同完成取料作业。行走机构则是刮板的运动和驱动部分。门架平台主要是用于工人便宜作业和整个悬臂侧式刮板取料机的支撑作用，整个系统模块包含一张楼梯、两个爬梯以及钢格板通道。

从卷扬系统的工作原理可以知道，悬臂梁的上仰和下俯的同时会不断调整取料臂的变幅。因此卷扬提升系统的取料臂的工作状态主要分为两种：快速升降和慢速蠕动升降。

当侧式刮板取料机需要进行调车换仓时，取料臂需要迅速升到上仰极限角度，使得取料臂能够越过料仓的的隔墙，所以此时取料机的工作需要快速电机和减速机来共同完成快速升降的工作状态，这样可以减少调车时间，从而进一步提高取料机的工作效率。

当侧式刮板取料机进入到取料的过程中，首先要通过快速升降的工作状态使得取料臂迅速放置在待取物料的料堆上，然后转换为慢速蠕动升降的工作状态进行取料，让取料臂慢速下降，按照给定的吃料深度，当每次取完一层料时，取料机都会从料仓的一侧行走到另一侧。而这个过程则需要慢速电机和减速机共同完成。

图2.4 侧式刮板取料机

2.4 本章小结

本章第一小节主要介绍了侧式刮板取料机的工作原理和基本的组成结构，在对工作原理进行阐述的同时，也简单介绍了一些组成模块在工作中所起到的作用和担任的角色，如刮板取料系统主要负责带动取料臂的刮板进行刮取物料。本章第二小节则介绍了卷扬系统的工作原理，也简单介绍了一些卷扬系统的组成部分，以及各个组成部分的功能。

第3章 卷扬系统部件设计

3.1 取料臂的设计

3.1.1 结构设计

取料臂是刮板取料机的主要钢结构部件，通过钢丝绳、动滑轮组、连接架、支撑圆筒连接在门架平台上，配合刮板取料系统，完成取料工作。目前就业内的情况而言，取料臂的结构形式已经非常标准和规范化了，再设计时只需根据实际需求选择合适的取料臂的结构形式即可。取料臂的结构形式主要分为三种，即板梁式、桁架式和圆管式。这三种结构各有千秋，不过由于出现的时期背景不同，导致三者在性能和效率方面有着一些差别。

板梁式取料臂被研发出来的时期比较早，因此不可避免地会出现结构简单，工作效率不高的缺陷，并且取料量比较小，当然随着物料量的猛烈增长，料场也必定会不断变大，所以对取料臂的长度要求自然也高，而板梁式取料臂的长度是比较短的，不足以适用于大型料场。而桁架式和圆管式取料臂则研发出来的比较晚，相比之下比较适合当今的物料工程的装卸运输应用。桁架式取料臂的长度三者之中最长的，而圆管式取料臂则具备着重量轻，制造快的优点。

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