杨卫锋 朱德超 卢睿智 习向欢

龙钢公司

摘要：在现代工业领域，吊车作为一种重要的起重设备，广泛应用于建筑、物流、港口等多个行业。然而，随着工程需求的变化和设备更新换代，大量吊车因无法满足新的作业要求而被闲置，造成了资源的浪费和企业成本的增加。据相关数据显示，我国每年因设备更新换代而闲置的吊车数量数以万计，这些吊车不仅占用了大量的场地空间，还需要企业投入一定的维护成本。如何有效地利用这些闲置吊车，成为了众多企业关注的焦点问题。

关键词：闲置吊车；堆料；伸缩式

1  引言

1.1 研究背景与意义

与此同时，在一些工业生产场景中，如散状物料的堆放作业，传统的堆料设备往往存在设备投资巨大、作业灵活性差、效率低下等问题。例如，轨道式堆料机需要在堆场制作基础并铺设钢轨，设备投资巨大，且只能沿着轨道布料，作业范围受限；装载机和挖掘机配合堆料虽然初期投入成本低、作业灵活，但作业效率低、料堆高度有限，且油耗高、粉尘污染严重。因此，开发一种新型的、高效且灵活的堆料设备具有重要的现实需求。

将闲置吊车进行改造，使其具备堆料功能，为解决上述问题提供了一种创新的思路。通过在吊臂上加装运行皮带，利用吊车的液压部位和汽车底盘实现行走以及上下左右摆动，能够将吊车改造成一种兼具灵活性和高效性的移动伸缩式堆料机。这种改造不仅可以充分利用闲置吊车的资源，降低企业的设备采购成本，还能够满足一些特殊工况下的堆料需求，提高作业效率，减少环境污染。

1.2 国内外研究现状

在国外，吊车设备的改造与再利用一直是工业领域关注的重点之一。欧美等发达国家的企业和研究机构在设备改造技术方面投入了大量资源，取得了一系列显著成果。一些企业通过对吊车的结构优化和控制系统升级，成功实现了吊车功能的多样化拓展，使其能够适应更加复杂和特殊的作业场景。例如，美国的卡特彼勒公司在吊车改造领域处于领先地位，他们利用先进的材料和制造工艺，对吊车的关键部件进行升级改造，提高了吊车的可靠性和耐久性。同时，通过引入智能化控制系统，实现了吊车的远程监控和自动化操作，大大提高了作业效率和安全性。

在堆料设备研究方面，国外同样取得了众多成果。德国的克虏伯公司研发的大型堆料机采用了先进的自动化控制技术和高效的物料输送系统，能够实现大规模散状物料的快速堆放，广泛应用于港口、矿山等行业。此外，日本的神钢公司推出的智能堆料机具备高度自动化的堆料功能，通过传感器和计算机控制系统，能够根据物料的特性和堆放要求，自动调整堆料方式和参数，确保料堆的稳定性和均匀性。

国内对于吊车改造和堆料设备的研究也在不断深入。近年来，随着我国制造业的快速发展，企业对设备的高效利用和创新应用提出了更高要求。许多科研机构和企业开始关注吊车改造技术，通过自主研发和技术引进，取得了一定的进展。一些企业利用先进的焊接技术和材料，对吊车的结构进行加固和优化，提高了吊车的承载能力和稳定性。同时，在电气控制方面，采用先进的可编程逻辑控制器（PLC）和变频调速技术，实现了吊车运行的精确控制和节能降耗。

在堆料设备领域，国内企业也在不断创新。例如，中煤张家口煤矿机械有限责任公司研发的移动伸缩式堆料机，结合了先进的机械设计和电气控制技术，具有作业灵活、堆料效率高的特点，能够满足不同工况下的堆料需求。此外，一些企业还针对特定行业的需求，开发了专用的堆料设备，如针对电厂煤炭堆放的斗轮堆料机，通过优化设计和智能化控制，提高了煤炭堆放的效率和安全性。

与现有研究相比，本研究具有独特性。以往的吊车改造研究主要集中在提升吊车的起重能力、自动化程度等方面，而本研究将重点放在将闲置吊车改造为具有堆料功能的设备上，为吊车的再利用开辟了新的途径。在堆料设备研究方面，现有的堆料机大多为固定轨道式或大型专用设备，作业灵活性受限，而本研究改造后的吊车堆料机能够自由移动，无需铺设轨道，可在各种复杂地形和场地条件下作业，具有更高的灵活性和适应性。

1.3 研究内容与方法

1.3.1 研究内容

（1）闲置吊车改造方案设计：深入研究吊车的结构特点、液压系统和电气控制系统，结合堆料作业的需求，设计详细的改造方案。确定吊臂的承载能力和稳定性计算方法，以确保在加装25米运行皮带后，吊臂能够安全可靠地工作。同时，考虑皮带的安装方式、张紧装置以及与吊臂的连接结构，保证皮带在运行过程中的稳定性和可靠性。

（2）运行皮带的设计与制造：根据堆料作业的要求，设计合适的皮带结构和参数。选用高强度、耐磨的皮带材料，确保皮带在输送物料过程中的耐用性。自行设计并焊接皮带的支撑框架和驱动装置，保证皮带能够稳定运行，实现物料的高效输送。研究皮带的驱动方式和调速方法，以满足不同工况下的堆料需求。

（3）液压与行走系统的优化利用：对吊车原有的液压系统进行评估和优化，确保其能够满足改造后设备的工作要求。调整液压泵的流量和压力，优化液压阀的控制策略，提高液压系统的响应速度和稳定性。利用吊车的汽车底盘实现行走功能，研究底盘的转向、制动和悬挂系统，确保设备在移动过程中的安全性和稳定性。同时，考虑如何通过液压系统实现吊臂的上下左右摆动，提高堆料作业的灵活性。

（4）电气控制系统的自主开发：自主设计并开发适用于改造后设备的电气控制系统。采用先进的可编程逻辑控制器（PLC）作为核心控制单元，实现对设备的自动化控制。开发相应的控制程序，实现对皮带的启动、停止、调速，以及吊臂的升降、回转和变幅等动作的精确控制。同时，配备必要的传感器和检测装置，实时监测设备的运行状态，实现故障诊断和报警功能，提高设备的可靠性和安全性。

（5）设备性能测试与优化：在完成设备改造后，对其进行全面的性能测试。测试内容包括堆料效率、皮带运行稳定性、液压系统压力和流量、电气控制系统的响应速度等。根据测试结果，对设备进行优化调整，解决存在的问题，提高设备的性能和可靠性。通过实际工况下的运行测试，验证设备的实用性和有效性，为设备的推广应用提供数据支持。

1.3.2 研究方法

（1）文献研究法：广泛查阅国内外相关文献资料，包括吊车改造、堆料设备设计、机械结构优化、电气控制技术等方面的研究成果和工程案例。了解当前的研究现状和发展趋势，为课题研究提供理论基础和技术参考。通过对文献的分析和总结，借鉴已有的成功经验，避免重复研究，同时发现现有研究的不足之处，为课题研究找到创新点。

（2）实地调研法：深入企业和施工现场，对闲置吊车的实际情况进行实地调研。了解吊车的型号、规格、使用年限、技术状况等信息，掌握堆料作业的工艺流程和实际需求。与相关技术人员和操作人员进行交流，获取第一手资料，为改造方案的设计提供实际依据。通过实地调研，还可以了解现有堆料设备的优缺点，以及企业在设备使用过程中遇到的问题，从而有针对性地进行设备改造和创新。

（3）理论分析法：运用机械设计、力学分析、液压传动、电气控制等相关理论知识，对吊车改造过程中的关键技术问题进行深入分析。对吊臂的承载能力进行计算和校核，确保其在加装皮带后的安全性；分析液压系统的工作原理和性能参数，优化液压系统的设计；研究电气控制系统的控制策略和算法，实现对设备的精确控制。通过理论分析，为设备的设计和改造提供科学的理论支持，保证设备的性能和可靠性。

（4）计算机辅助设计（CAD）与仿真分析：利用CAD软件对吊车改造方案进行详细的设计和建模，直观地展示设备的结构和布局。通过三维建模，可以清晰地看到各个部件之间的装配关系和空间位置，便于进行设计优化和干涉检查。同时，运用仿真分析软件对设备的关键部件和系统进行性能仿真，如对吊臂进行强度和刚度分析，对液压系统进行压力和流量仿真，对电气控制系统进行动态响应仿真等。通过仿真分析，可以提前预测设备在不同工况下的性能表现，发现潜在的问题，并及时进行优化改进，减少实际试验的次数和成本。

（5）试验研究法：在完成设备改造后，进行一系列的试验研究。包括空载试验、负载试验、耐久性试验等，对设备的各项性能指标进行测试和评估。通过试验，验证改造方案的可行性和有效性，检验设备是否满足设计要求和实际使用需求。根据试验结果，对设备进行进一步的优化和调整，不断提高设备的性能和质量。同时，试验研究还可以为设备的操作和维护提供指导，积累实际运行经验。

2  闲置吊车改造的总体方案设计

2.1 吊车选择与现状分析

在众多闲置吊车中，选择合适的吊车是改造工作的首要任务。经过多方面的考量与筛选，最终确定选用徐工XCT80吊车进行改造。该型号吊车在市场上应用广泛，具有良好的通用性和稳定性，其相关参数和性能能够较好地满足本次改造的需求。

从结构方面来看，徐工XCT80吊车主要由汽车底盘、回转平台、起重臂、驾驶室、液压系统、电气控制系统等部分组成。汽车底盘采用陕汽德龙X3000底盘，最大承载能力80吨，配备Allison 4500自动变速箱，具有较强的承载能力和良好的越野性能，能够适应不同的工作场地条件。回转平台通过回转支承与底盘相连，可实现 360°全回转，为吊车的作业提供了更大的灵活性。起重臂为箱型结构，采用高强度钢材制造，具有较高的强度和刚度，能够承受较大的起吊重量。起重臂通常由多节臂组成，可通过伸缩油缸实现起重臂的伸长和缩短，以满足不同起吊高度和工作半径的要求。

在性能参数上，该吊车的最大起重量为80吨，最大起升高度为60米，工作半径范围为3.5米至48米。其液压系统采用力士乐LUDV液压系统，工作压力35Mpa，流量300L/min，具有较高的工作压力和流量，能够为吊车的起升、回转、变幅等动作提供稳定而强大的动力支持。电气控制系统采用先进的PLC控制技术，可实现对吊车各动作的精确控制和自动化操作，提高了吊车的工作效率和安全性。

然而，由于技术的不断进步和工程需求的变化，该吊车逐渐无法满足一些新的作业要求，从而导致闲置。一方面，随着建筑施工和物流行业的发展，对吊车的起吊高度、起重量和作业灵活性提出了更高的要求，而该吊车在某些方面的性能已经略显不足。例如，在一些大型建筑项目中，需要吊车能够起吊更重的构件，并达到更高的作业高度，而该吊车的最大起重量和起升高度难以满足这些需求。另一方面，新型吊车在智能化、自动化程度上有了很大提升，能够实现远程监控、故障诊断等功能，提高了作业效率和安全性。相比之下，徐工XCT80吊车在这些方面相对落后，无法适应市场的发展趋势，这也是其被闲置的重要原因之一。此外，该吊车在长期使用过程中，部分零部件出现了磨损和老化现象，维护成本逐渐增加，这也使得企业在权衡利弊后，选择将其闲置。

2.2 堆料功能需求分析

在对闲置吊车进行改造以实现堆料功能之前，深入分析堆料的功能需求是至关重要的。这不仅有助于明确改造的方向和重点，还能确保改造后的设备能够高效、稳定地满足实际生产中的堆料作业要求。

从物料种类来看，需要堆存的物料通常具有多样性。以常见的散状物料为例，如煤炭、矿石等，它们在物理性质和化学性质上存在显著差异。煤炭具有易燃、易氧化的特性，其颗粒度相对较小，流动性较好；矿石则硬度较大，密度较高，颗粒大小不一，有些还可能含有杂质。这些不同物料的特性决定了堆料设备在设计和运行时需要采取不同的措施。对于易扬尘的物料，如煤炭，需要配备有效的防尘装置，以减少粉尘对环境和操作人员健康的影响；对于具有腐蚀性的物料，设备的接触部件需要选用耐腐蚀的材料，以延长设备的使用寿命。

作业环境也是影响堆料功能需求的重要因素。堆料作业在室内大棚，空间相对有限，对设备的尺寸和灵活性要求较高，需要设备能够在有限的空间内高效地进行堆料作业。同时，室内环境对粉尘和噪音的控制要求较为严格，因此设备应具备良好的防尘和降噪性能。露天堆场则面临着各种自然条件的考验，如阳光暴晒、风雨侵蚀、温度变化等。在设计堆料设备时，需要考虑设备的防晒、防雨、防锈等性能，确保设备在恶劣的自然环境下能够正常运行。港口码头的作业环境更为复杂，不仅要考虑物料的堆存，还需要兼顾船舶的装卸作业。设备需要具备与港口装卸系统相匹配的接口和功能，以实现物料的快速转运。此外，港口地区的湿度较大，对设备的防潮性能也有较高要求。

堆料效率要求是衡量堆料设备性能的关键指标之一。不同的生产场景对堆料效率有着不同的期望。在大型冶金企业或电厂，由于物料的堆存量巨大，为了满足生产的连续性，需要堆料设备具有较高的堆料速度和较大的堆料能力。一般来说，这类场所要求堆料机的小时堆料量能够达到数百吨甚至上千吨。而在一些小型建筑工地或小型加工厂，虽然物料的堆存量相对较小，但对堆料的及时性和灵活性要求较高。设备需要能够根据实际需求随时调整堆料位置和堆料方式，以满足施工现场的动态变化。

基于对物料种类、作业环境和堆料效率要求的综合分析，确定了以下改造方向：在设备结构方面，需要设计一种能够适应不同物料特性和作业环境的堆料装置。采用可调节的皮带张紧系统，以确保在输送不同颗粒度和重量的物料时，皮带都能保持稳定的运行状态。同时，优化吊臂的结构设计，提高其承载能力和稳定性，以满足在不同工况下挂载堆料装置的需求。在控制系统方面，开发一套智能化的控制系统，实现对堆料过程的精确控制。通过传感器实时监测物料的输送量、皮带的运行速度、吊臂的角度等参数，并根据这些参数自动调整设备的运行状态。配备远程监控功能，使操作人员可以在远离现场的地方对设备进行监控和操作，提高作业的安全性和便捷性。在环保措施方面，针对物料扬尘和噪音污染问题，安装高效的除尘设备和降噪装置。采用喷淋降尘系统，在物料输送和堆放过程中对其进行喷水，减少粉尘的飞扬；选用低噪音的驱动装置和传动部件，并对设备进行隔音处理，降低作业时产生的噪音。

2.3 总体改造思路与流程

本项目的总体改造思路是充分利用闲置吊车的现有资源，通过对其进行针对性的结构和系统改造，使其具备高效的堆料功能。具体来说，就是在吊车的吊臂上加装25米运行皮带，利用吊车原有的液压部位和汽车底盘，实现设备的行走以及吊臂的上下左右摆动，从而完成物料的堆放作业。同时，自主设计并制造皮带的支撑结构和电气控制系统，以确保整个堆料系统的稳定运行和精确控制。

改造流程主要包括以下几个关键节点：

（1）前期准备：收集吊车的相关技术资料，包括设备说明书、图纸等，全面了解吊车的结构和性能参数。对吊车进行详细的检查和评估，确定其可改造性和需要改进的部分。同时，根据堆料功能需求，制定详细的改造方案和技术规格书，明确改造的目标、内容和技术要求。准备改造所需的材料、工具和设备，如钢材、焊接设备、电气元件等。

（2）结构改造：首先对吊臂进行加固和改造，以确保其能够承受运行皮带和物料的重量。根据皮带的长度和宽度，设计并焊接皮带的支撑框架，将其牢固地安装在吊臂上。在吊臂的头部和尾部，安装皮带的驱动滚筒和张紧滚筒，调整好皮带的张紧度，确保皮带在运行过程中不会出现打滑或松弛现象。对吊车的回转平台和底座进行适当的改造，增加支撑点和连接部件，提高设备在堆料作业时的稳定性。

（3）电气控制系统开发：自主设计并开发适用于改造后设备的电气控制系统。以可编程逻辑控制器（PLC）为核心控制单元，搭建电气控制硬件平台。根据堆料作业的工艺流程和控制要求，编写 PLC 控制程序，实现对设备的自动化控制。控制程序应具备皮带的启动、停止、调速，吊臂的升降、回转、变幅等基本功能，同时还应具备故障诊断、报警、紧急停车等安全保护功能。配备必要的传感器和检测装置，如位置传感器、重量传感器、速度传感器等，实时监测设备的运行状态，并将监测数据反馈给 PLC，以便实现对设备的精确控制和故障诊断。

（4）安装与调试：在完成各项改造工作后，按照设计要求进行设备的安装和组装。确保各个部件的安装位置准确，连接牢固，管路和线路布置整齐、合理。在安装过程中，严格遵守相关的安装规范和标准，确保安装质量。安装完成后，对设备进行全面的调试工作。首先进行空载调试，检查设备的各项动作是否正常，电气控制系统是否稳定可靠。然后进行负载调试，逐步增加物料的重量，测试设备在不同工况下的性能表现，如堆料效率、皮带运行稳定性等。根据调试结果，对设备进行进一步的优化和调整，确保设备能够满足设计要求和实际使用需求。

（5）测试与验收：对改造后的设备进行全面的性能测试，包括堆料效率测试、皮带运行稳定性测试、电气控制系统功能测试等。通过实际工况下的运行测试，验证设备的各项性能指标是否达到设计要求。根据验收意见，对设备存在的问题进行整改和完善，直至设备通过验收。

3  吊臂加装运行皮带的技术实现

3.1 皮带选型与设计

在对闲置吊车进行改造，使其具备堆料功能的过程中，运行皮带的选型与设计是至关重要的环节，直接关系到堆料作业的效率、稳定性以及设备的使用寿命。

根据物料特性和运行要求选择合适的皮带是首要任务。不同的物料具有不同的物理和化学性质，如煤炭质地较软，颗粒度较小，具有一定的粘性和易燃性；矿石硬度较大，密度高，颗粒大小不一，且部分矿石可能含有腐蚀性成分；砂石的颗粒形状不规则，粒径分布范围广，磨蚀性较强。这些特性决定了皮带需要具备相应的性能。对于输送煤炭的皮带，应选择具有良好的耐磨性和抗静电性能的材料，以防止在输送过程中因摩擦产生静电引发火灾。而对于输送矿石和砂石等磨蚀性较强的物料，皮带则需要具备更高的耐磨性和强度，能够承受物料的冲击和摩擦。

在运行要求方面，需要考虑皮带的输送速度、输送量以及运行的稳定性。如果堆料作业要求较高的堆料效率，即需要在单位时间内输送大量的物料，那么就需要选择能够承受较大张力、运行速度较快的皮带。同时，为了保证皮带在运行过程中不会出现打滑、跑偏等问题，还需要考虑皮带与驱动滚筒、张紧滚筒之间的摩擦力以及皮带的张紧方式。

基于以上考虑，经过对多种皮带材料和结构的分析与比较，最终选用了EP630/4型橡胶输送带。这种输送带以高强度的尼龙帆布为带芯，具有较高的拉伸强度和柔韧性，能够承受较大的张力和冲击力。其表面覆盖的橡胶层采用了特殊的配方，具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗老化性能，能够适应各种恶劣的工作环境。橡胶输送带还具有良好的阻燃性能，对于输送易燃性物料（如煤炭）时，能有效降低火灾风险。

在皮带的尺寸设计上，宽度和长度是两个关键参数。皮带的宽度需要根据物料的粒度、输送量以及堆料的要求来确定。一般来说，物料粒度越大，所需的皮带宽度就越大，以确保物料能够在皮带上稳定输送，不会出现溢出或堵塞的情况。根据对常见散状物料粒度的分析以及堆料作业的实际需求，确定皮带的宽度为1200毫米。这样的宽度既能满足大部分物料的输送要求，又能保证皮带在运行过程中的稳定性。

皮带的长度则根据吊臂的长度和堆料的实际作业范围来确定。由于需要在吊臂上加装 25 米的运行皮带，考虑到皮带在安装和运行过程中需要预留一定的余量，以及与驱动滚筒（铸钢材质，直径800毫米，表面包胶处理）和张紧滚筒的连接部分，最终确定皮带的长度为28米。在确定皮带长度时，还需要考虑到皮带在运行过程中的伸长和收缩情况，通过合理的张紧装置来保证皮带始终处于合适的张紧状态。

在皮带的结构设计方面，除了带芯和覆盖层的选择外，还需要考虑皮带的接头方式和边缘处理。皮带的接头方式直接影响到皮带的连接强度和运行稳定性。常见的接头方式有机械接头、硫化接头和冷粘接头等。机械接头安装方便，但连接强度相对较低，适用于输送量较小、工况要求不高的场合；硫化接头连接强度高，密封性好，但需要专业的设备和技术，成本较高；冷粘接头则结合了机械接头和硫化接头的优点，操作相对简单，连接强度也能满足大部分工况的要求。综合考虑本设备的使用要求和成本因素，选择了冷粘接头方式。在接头处，通过特殊的胶水将皮带的两端牢固地连接在一起，并进行了加强处理，以确保接头处的强度和密封性。

对于皮带的边缘处理，采用了特殊的工艺，使其边缘光滑、整齐，避免在运行过程中出现磨损、撕裂等问题。同时，在皮带的边缘设置了加强筋，进一步提高了皮带的抗撕裂能力，保证了皮带在长时间运行过程中的可靠性。

3.2 吊臂与皮带连接方式

吊臂与皮带的连接方式是确保堆料设备稳定运行的关键环节，其选择需综合考虑多方面因素。从力学角度来看，连接方式要能够承受皮带运行时产生的张力、物料的重量以及吊臂在运动过程中所受到的各种力。根据力学分析，皮带在输送物料时，会产生较大的拉力，若连接方式不可靠，可能导致皮带脱落或连接部件损坏。在实际工况中，吊臂会进行上下、左右摆动以及回转等动作，这就要求连接方式能够适应这些复杂的运动，保持连接的稳定性。

经过对多种连接方式的分析与比较，最终确定采用焊接与螺栓连接相结合的方式。这种连接方式具有较高的可靠性和稳定性，能够满足堆料作业的要求。在焊接连接方面，使用高强度的焊接材料，对皮带的支撑框架与吊臂进行焊接。焊接工艺采用二氧化碳气体保护焊，这种焊接工艺具有焊接质量高、焊缝强度大、变形小等优点。在焊接前，对焊接部位进行预处理，去除表面的油污、铁锈等杂质，以保证焊接质量。焊接过程中，严格控制焊接参数，如焊接电流、电压、焊接速度等，确保焊缝的强度和密封性。通过焊接，使支撑框架与吊臂形成一个整体，提高了连接的牢固性。

螺栓连接则主要用于连接皮带的驱动滚筒、张紧滚筒与吊臂。选用高强度的螺栓和螺母，确保连接的可靠性。在安装螺栓时，按照规定的扭矩进行紧固，使用扭矩扳手进行测量，保证每个螺栓的紧固力均匀一致。为了防止螺栓松动，采用了防松措施，如加装弹簧垫圈、使用螺纹锁固剂等。弹簧垫圈在螺栓拧紧后，会产生弹性变形，对螺栓施加一个反向的作用力，从而防止螺栓松动。螺纹锁固剂则通过填充螺纹间隙，形成一种固化的胶层，增加螺纹之间的摩擦力，达到防松的目的。

连接部件的设计也至关重要。皮带的支撑框架采用4040型钢材制作，这种钢材具有较高的强度和刚度，能够承受皮带和物料的重量。支撑框架的结构设计为桁架结构，这种结构形式具有重量轻、强度高、稳定性好的特点。在框架的关键部位，如节点处，进行加强处理，增加连接板和加强筋，提高框架的承载能力。

驱动滚筒和张紧滚筒的设计也充分考虑了与吊臂的连接和皮带的运行要求。驱动滚筒采用铸钢制作，表面进行特殊处理，增加摩擦力，以确保能够有效地驱动皮带运行。滚筒的轴与吊臂之间通过轴承座和螺栓连接进行连接，保证滚筒能够灵活转动。张紧滚筒的作用是调整皮带的张紧度，确保皮带在运行过程中不会出现打滑或松弛现象。张紧滚筒采用螺旋张紧装置，通过旋转螺杆来调整滚筒的位置，从而实现皮带张紧度的调整。

在安装过程中，严格按照设计要求和安装规范进行操作。首先，将支撑框架准确地定位在吊臂上，使用定位夹具进行固定，然后进行焊接。焊接完成后，对焊缝进行探伤检查，确保焊接质量符合要求。接着，安装驱动滚筒和张紧滚筒，调整好它们的位置和角度，使其与皮带的中心线保持一致。在安装螺栓时，按照规定的顺序和扭矩进行紧固，确保连接牢固。安装完成后，对整个连接系统进行检查和调试，确保皮带能够正常运行，吊臂的运动不受影响。

3.3 运行皮带的安装与调试

运行皮带的安装是将闲置吊车改造为堆料设备的关键步骤之一，其安装质量直接影响到设备的运行稳定性和堆料效率。在安装前，需要做好充分的准备工作。检查皮带及相关零部件的质量，确保皮带无破损、划伤等缺陷，驱动滚筒、张紧滚筒等零部件无变形、损坏。准备好安装所需的工具，如扳手、螺丝刀、起重机等。清理安装现场，确保场地整洁、无杂物，为安装工作提供良好的作业环境。

安装步骤严格按照设计要求和相关标准进行。利用起重机将皮带吊运至吊臂附近，注意避免皮带与其他物体碰撞。将皮带的一端穿入驱动滚筒，确保皮带与驱动滚筒的贴合紧密，然后将皮带绕过吊臂上的各个托辊，最后将皮带的另一端穿入张紧滚筒。在穿入过程中，要注意调整皮带的位置，使其中心线与各滚筒的中心线保持一致，防止皮带跑偏。安装皮带的张紧装置，根据皮带的长度和张力要求，调整张紧装置的位置，使皮带达到合适的张紧度。张紧度的调整至关重要，过松会导致皮带打滑，影响输送效率；过紧则会增加皮带和滚筒的磨损，降低设备的使用寿命。在调整张紧度时，可以使用张力计进行测量，确保张紧度符合设计要求。连接皮带的接头，采用冷粘接头方式时，先将接头部位的皮带表面清理干净，去除油污、杂质等，然后均匀地涂抹胶水，将接头对接并压紧，使用专用的夹具固定，等待胶水固化。在固化过程中，要避免接头受到外力的干扰，确保接头的连接质量。

调试内容主要包括皮带的运行稳定性、跑偏情况、输送能力等方面。启动设备，让皮带空转一段时间，观察皮带的运行状态，检查皮带是否有异常振动、噪音等现象。如果发现皮带振动过大，可能是由于皮带张紧度不均匀、托辊安装不平整或滚筒同心度差等原因导致的，需要及时进行调整。观察皮带在运行过程中是否出现跑偏现象。皮带跑偏会导致物料撒落，影响堆料效果，甚至损坏皮带。如果皮带跑偏，可以通过调整张紧装置、托辊的位置或安装调心托辊等方法进行纠正。在调整过程中，要逐步进行，每次调整后观察皮带的跑偏情况，直到皮带能够正常运行。在皮带空转调试正常后，进行负载调试。向皮带上输送物料，逐渐增加物料的输送量，观察皮带的输送能力和运行稳定性。检查设备的堆料效果，是否能够满足设计要求。如果发现输送能力不足，可能是由于皮带速度过慢、驱动电机功率不够或物料堵塞等原因导致的，需要针对具体问题进行解决。

调试标准依据相关的行业标准和设计要求制定。皮带在运行过程中，其振动幅度应不超过规定值，一般要求振动加速度不大于5m/s²，以确保设备运行的平稳性。皮带的跑偏量应控制在一定范围内，通常要求皮带边缘与滚筒边缘的偏差不超过5mm，避免因跑偏导致物料散落和设备损坏。设备的堆料效率应达到设计要求，在规定的时间内，能够完成一定量物料的堆放。例如，设计要求设备每小时的堆料量为450吨，在调试过程中，实际堆料量应不低于设计值的95%。皮带在输送物料时，应无打滑现象，确保物料能够稳定地输送到指定位置。驱动电机的电流、温度等参数应在正常范围内，避免电机过载运行，影响设备的使用寿命。

4  利用吊车液压与底盘实现行走及摆动

4.1 液压系统原理与改造

吊车的液压系统是其实现各种动作的关键动力源，理解其原理并进行合理改造对于实现堆料功能至关重要。吊车的液压系统主要由动力元件（液压泵）、执行元件（液压缸、液压马达）、控制元件（各种液压阀）、辅助元件（油箱、油管、过滤器等）和工作介质（液压油）组成。其基本工作原理是通过液压泵将机械能转化为液压能，液压油在压力作用下通过管路输送到各个执行元件，执行元件再将液压能转化为机械能，从而实现吊车的起升、回转、变幅等动作。

在起升机构中，液压泵输出的高压油推动液压马达旋转，液压马达通过减速器带动卷筒转动，从而实现重物的起升和下降。回转机构则是利用液压马达驱动回转支承，使上车部分相对下车部分进行360°回转。变幅机构通过液压缸的伸缩来改变起重臂的角度，实现不同幅度的作业。

为了实现堆料功能，对液压系统进行了一系列改造。针对皮带的驱动需求，在液压系统中增加了一个丹佛斯H1B-250型摆线液压马达作为皮带的驱动动力源。通过控制该液压马达的转速和转向，实现皮带的启动、停止以及正反转，以满足不同的堆料作业要求。为了提高皮带驱动的稳定性和精确性，安装了博世力士乐4WRKE型比例阀，调节范围0-400L/min。流量控制阀可以精确调节进入液压马达的油液流量，从而控制皮带的运行速度；压力控制阀则用于保护系统免受过高压力的损害，确保系统的安全运行。

对吊臂的摆动控制也进行了优化。在原有的变幅液压缸和回转液压马达的控制基础上，增加了比例阀和传感器。比例阀可以根据控制信号精确调节油液的流量和压力，从而实现吊臂的平稳、精确摆动。传感器则实时监测吊臂的角度、位置等参数，并将这些信息反馈给控制系统，以便及时调整控制策略，确保吊臂的运动符合堆料作业的要求。

在改造过程中，还对液压系统的管路进行了重新布局和优化。根据各执行元件的工作需求，合理调整了管路的直径和长度，减少了油液流动的阻力和压力损失。对管路的连接部位进行了加强和密封处理，防止油液泄漏，提高了系统的可靠性和稳定性。通过这些改造措施，使得吊车的液压系统能够更好地满足堆料作业的要求，为设备的高效运行提供了有力保障。

4.2 汽车底盘的适应性改造

汽车底盘作为吊车的基础承载和移动部件，其性能和结构直接影响到改造后设备的稳定性和机动性。在将闲置吊车改造为具备堆料功能的设备过程中，对汽车底盘进行适应性改造是至关重要的环节。

原吊车底盘的传动系统主要是为满足吊车的起重作业需求而设计的，其传动比和扭矩输出侧重于起吊重物时的平稳性和动力需求。然而，在堆料作业中，设备需要在不同的场地条件下频繁移动，对底盘的动力输出和传动效率提出了新的要求。为了适应堆料作业的工况，对底盘传动系统进行了优化。根据堆料作业的实际需求，重新匹配了变速器的传动比，使车辆在低速行驶时能够提供更大的扭矩，以满足在满载物料且路况复杂的情况下顺利起步和行驶的要求；在高速行驶时，通过优化传动比，降低发动机的转速，减少燃油消耗，提高作业效率。同时，对传动轴进行了强度校核和优化设计，采用了高强度的材料和先进的制造工艺，提高了传动轴的承载能力和抗疲劳性能，确保在频繁的启动、停止和转向过程中，传动轴能够稳定可靠地传递动力，避免出现断裂或变形等故障。

转向系统的改造也是提高设备机动性的关键。原吊车的转向系统在起重作业时，主要关注的是转向的精确性和稳定性，以确保吊臂能够准确地定位重物。但在堆料作业中，设备需要在狭小的空间内灵活转向，对转向的灵活性和轻便性提出了更高的要求。为了实现这一目标，采用了液压助力转向系统对原转向系统进行升级。液压助力转向系统通过液压泵提供的压力，辅助驾驶员转动方向盘，大大减轻了驾驶员的操作力，使转向更加轻便灵活。在系统设计中，合理选择了液压泵的流量和压力参数，确保在不同的行驶速度和负载条件下，都能为转向系统提供足够的助力。同时，对转向节和转向拉杆等部件进行了优化设计，增加了其强度和刚性，以适应堆料作业中频繁转向带来的冲击和应力。为了进一步提高转向的灵活性，还对转向系统的几何参数进行了优化调整，减小了转向半径，使设备能够在更小的空间内完成转向操作。通过这些改造措施，设备的转向灵活性得到了显著提升，能够更好地适应堆料作业现场复杂的地形和空间条件。

除了传动和转向系统，底盘的悬挂系统也进行了适应性改造。堆料作业过程中，设备可能会在不平整的地面上行驶，对底盘的悬挂系统提出了更高的要求，需要其具备更好的减震和缓冲性能，以保证设备的稳定性和舒适性。原吊车的悬挂系统在设计上主要考虑了起重作业时的静态负载，对于动态冲击的缓冲能力相对较弱。因此，在改造过程中，更换了高性能的减震器和弹簧。选用了阻尼可调的减震器，通过调节减震器的阻尼力，可以根据不同的路况和行驶速度，实现对车辆震动的有效控制。在通过颠簸路面时，增大减震器的阻尼力，减少车辆的颠簸幅度；在平坦路面行驶时，减小阻尼力，提高车辆的行驶舒适性。同时，增加了弹簧的刚度和承载能力，以适应堆料作业时车辆满载物料的重量。例如，将弹簧的刚度提高了20%，使其能够更好地支撑车辆的重量，减少弹簧的压缩变形，提高车辆的行驶稳定性。对悬挂系统的导向机构进行了优化，确保车轮在行驶过程中的定位准确，减少轮胎的磨损，提高车辆的操控性能。通过这些悬挂系统的改造，设备在不平整地面上行驶时的震动得到了有效抑制，行驶稳定性和舒适性得到了明显改善，为堆料作业的顺利进行提供了有力保障。

4.3 行走及摆动控制策略

行走及摆动控制策略的制定依据主要来源于设备的作业需求和安全运行要求。在堆料作业过程中，设备需要在不同的场地条件下灵活移动和调整位置，以实现物料的准确堆放。因此，控制策略需要确保设备能够稳定、精确地实现行走和摆动动作，同时保证操作人员的安全。

对于行走控制，手动控制方式主要通过操作驾驶室内的控制台来实现。控制台上设置有前进、后退、转向等操作手柄或按钮，操作人员根据实际作业需求，通过操作这些控制元件来控制底盘的驱动电机和转向机构。在手动控制模式下，操作人员可以根据现场的地形、障碍物分布以及堆料位置等情况，灵活地调整设备的行走速度和方向。当需要靠近堆料区域时，操作人员可以通过操作手柄降低行走速度，以确保设备能够准确地停在指定位置；在空旷的场地中移动时，则可以适当提高行走速度，提高作业效率。

自动控制则是通过预先编写的控制程序来实现。控制程序根据安装在设备上的各种传感器所采集的数据，如位置传感器、速度传感器、角度传感器等，自动控制底盘的行走和转向。在自动控制模式下，首先需要在控制系统中输入堆料的目标位置和行走路径规划信息。控制系统根据这些信息，结合传感器实时反馈的数据，计算出设备的当前位置和姿态，并与目标位置进行比较。根据比较结果，控制系统自动调整底盘的驱动电机和转向机构，使设备按照预定的路径和速度行走。在行走过程中，如果传感器检测到前方有障碍物，控制系统会自动发出指令，使设备停止前进或调整行走方向，以避开障碍物。

吊臂的摆动控制同样分为手动和自动两种方式。手动摆动控制通过操作控制台上的相应手柄或按钮来实现，操作人员可以根据堆料的实际需要，精确地控制吊臂的上下、左右摆动角度。在手动控制模式下，操作人员可以根据物料的堆放高度和位置，灵活地调整吊臂的角度，确保物料能够准确地堆放到位。当需要将物料堆放在较高的位置时，操作人员可以通过操作手柄将吊臂向上抬起；当需要将物料堆放在较远的位置时，则可以将吊臂向外伸展并调整摆动角度。

自动摆动控制则是基于预设的堆料模式和实时的物料输送情况来实现。控制系统根据预先设定的堆料模式，如分层堆料、锥形堆料等，自动控制吊臂的摆动角度和速度。在自动摆动过程中，控制系统会实时监测物料的输送量和皮带的运行状态，根据这些信息调整吊臂的摆动频率和幅度，以保证物料能够均匀地分布在堆料区域。如果物料输送量较大，控制系统会适当增加吊臂的摆动频率，使物料能够更快地堆放；如果物料输送量较小，则会降低摆动频率，避免物料过度集中。控制系统还会根据堆料区域的形状和尺寸，自动调整吊臂的摆动范围，确保物料能够覆盖整个堆料区域。

5  电控部分自主控制系统设计

5.1 控制系统总体架构

本研究设计的电控部分自主控制系统采用分层分布式架构，主要由管理层、控制层和设备层组成，各层之间通过通信网络进行数据传输和指令交互，共同实现对改造后堆料设备的精确控制和高效管理。系统架构图如图 1 所示：

图1 系统架构图

管理层是整个控制系统的核心决策层，主要由工业计算机和监控软件组成。工业计算机采用高性能的工控机（研华ARK-3500)，具备强大的数据处理能力和稳定的运行性能，能够实时处理大量的生产数据和控制指令。监控软件则是基于先进的组态软件平台（Wincc）开发而成，具有友好的人机界面（HMI），操作人员可以通过该界面直观地监控设备的运行状态，实时获取设备的各项运行参数，如皮带的运行速度、物料的输送量等。在监控界面上，以动态图形的方式展示设备的工作状态，用数字实时显示各项参数，同时还设置了各种报警提示信息，以便操作人员及时发现设备运行中的异常情况。通过监控软件，操作人员可以远程下达各种控制指令，如设备的启动、停止、速度调节、堆料模式切换等，实现对设备的远程控制和管理。监控软件还具备数据存储和分析功能，能够将设备的运行数据进行实时存储，形成历史数据库。通过对历史数据的分析，可以了解设备的运行规律，为设备的维护保养和性能优化提供数据支持。

控制层是连接管理层和设备层的中间环节，主要由可编程逻辑控制器（PLC）和运动控制器组成。PLC 作为整个控制系统的核心控制单元，承  担着设备运行逻辑控制和数据处理的重要任务。选用西门子S7-1200PLC，该型号 PLC 具有高速的运算能力、丰富的 I/O 接口和强大的通信功能，能够满足系统对控制精度和实时性的要求。PLC 通过各种输入模块采集来自设备层的传感器信号，如皮带的速度传感器、物料的重量传感器等，对这些信号进行处理和分析，根据预设的控制逻辑和算法，通过输出模块控制执行器的动作，如电机的启动、停止、正反转，液压阀的开闭等，实现对设备的精确控制。

设备层是控制系统的执行机构，主要包括各种传感器、执行器和电机等设备。传感器是设备层的重要组成部分，用于实时监测设备的运行状态和工作环境参数。在本系统中，安装了多种类型的传感器，如皮带的速度传感器采用欧姆龙E6C3的速度传感器，能够精确地测量皮带的运行速度，并将速度信号转换为电信号传输给PLC；物料的重量传感器采用梅特勒-托利多PW15的称重传感器，用于测量输送物料的重量，为堆料作业提供数据支持。这些传感器能够实时、准确地采集设备的运行数据，为控制系统提供可靠的信息来源。执行器则根据控制层发出的指令，执行相应的动作，实现设备的各种功能。在本系统中，执行器主要包括电机、液压阀等设备。电机作为设备的动力源，驱动皮带的运行和吊臂的运动。电机采用BWY18-17-YEJ22的摆线减速电机，具有较高的效率和可靠性。

5.2 硬件选型与电路设计

控制器的选型对控制系统的性能起着关键作用。在本系统中，选用了 西门子S7-1200PLC的可编程逻辑控制器（PLC）作为核心控制器。该型号 PLC 具备丰富的指令集和强大的运算能力，能够快速处理各种控制逻辑和数据运算。其高速的扫描速度可确保对设备运行状态的实时监测和及时响应，满足堆料设备对控制实时性的严格要求。该 PLC 拥有多个通信接口，如 RS485、以太网等，便于与其他设备进行数据通信和联网控制，能够方便地实现远程监控和集中管理。丰富的 I/O 接口也是选择该 PLC 的重要因素之一，它能够满足系统对各种传感器信号输入和执行器控制信号输出的需求。通过扩展模块，I/O 点数可根据实际需求进行灵活配置，为系统的功能扩展提供了便利。在实际应用中，西门子S7-1200PLC在类似的工业自动化控制系统中表现出色，具有较高的可靠性和稳定性，能够适应复杂的工业环境，为堆料设备的长期稳定运行提供了有力保障。

传感器作为控制系统的信息采集单元，其精度和可靠性直接影响到系统的控制精度和稳定性。根据堆料设备的实际需求，选用了多种类型的传感器。在皮带速度检测方面，采用了欧姆龙E6C3的速度传感器。该传感器基于电磁感应原理，能够准确地测量皮带的运行速度。其测量精度可达 ±0.1m/s，能够为控制系统提供精确的速度反馈信号，确保皮带在运行过程中的速度稳定，满足不同堆料工况下对皮带速度的控制要求。为了监测物料的输送量，选用了梅特勒-托利多PW15的重量传感器。该传感器利用压力应变原理，能够精确地测量输送物料的重量。其量程可根据实际需求进行选择，精度可达±0.5% FS，能够为堆料作业提供准确的物料重量数据，便于操作人员掌握物料的输送情况，合理调整堆料作业参数。

硬件电路原理图是实现控制系统功能的基础，其设计需充分考虑各硬件设备之间的连接关系和信号传输路径。在设计过程中，首先确定了 PLC 与传感器、执行器之间的连接方式。PLC 的输入接口与各种传感器的输出信号相连，将传感器采集到的设备运行状态信号传输给 PLC 进行处理。PLC 的输出接口则与执行器的控制信号输入端相连，根据 PLC 的控制指令，驱动执行器动作，实现对设备的控制。例如，速度传感器的输出信号通过屏蔽电缆连接到 PLC 的高速计数输入接口，以确保速度信号的准确传输；重量传感器的信号经过信号调理电路后，输入到 PLC 的模拟量输入通道，实现对物料重量的精确测量。

在电气控制电路中，还设计了电源电路、信号调理电路和保护电路等。电源电路为整个控制系统提供稳定的电源，采用了开关电源，能够将外部交流电转换为适合各硬件设备使用的直流电。信号调理电路用于对传感器输出的信号进行放大、滤波等处理，以满足 PLC 的输入要求。保护电路则对系统中的电气设备起到保护作用，防止因过电流、过电压、短路等故障对设备造成损坏。例如，在电机的控制电路中，设置了热继电器和熔断器，当电机过载或发生短路时，热继电器会自动切断电路，熔断器会迅速熔断，保护电机电气设备的和其他安全。通过合理的硬件选型和精心设计的硬件电路原理图，为电控部分自主控制系统的稳定运行和精确控制奠定了坚实的基础。

5.3 软件编程与功能实现

本系统的软件编程环境选用了TIA Portal V15，该软件具有丰富的函数库和便捷的开发工具，能够大大提高编程效率。编程语言采用梯形图语言，它以图形化的方式表达控制逻辑，直观易懂，便于工程技术人员理解和维护。

在物料输送控制功能模块中，主要实现对皮带运行的精确控制。当系统接收到启动指令后，首先检测皮带的张紧度和物料输送通道是否畅通。若检测正常，通过 PLC 控制皮带驱动电机启动，按照预设的速度运行。在运行过程中，根据物料的输送量和皮带的负载情况，实时调整电机的转速。若物料输送量过大，导致皮带负载过重，通过 PLC 控制变频器降低电机转速，防止皮带打滑；若物料输送量较小，可适当提高电机转速，提高堆料效率。当系统接收到停止指令时，先停止物料的输送，然后逐渐降低皮带的运行速度，待皮带上的物料全部输送完毕后，再停止皮带驱动电机。在这个过程中，通过传感器实时监测皮带的运行状态，一旦发现异常，如皮带跑偏、电机过载等，立即发出报警信号，并停止皮带运行，以保护设备和人员安全。

堆料模式切换功能模块使设备能够适应不同的堆料需求。系统预设了多种堆料模式，如分层堆料模式、锥形堆料模式、定点堆料模式等。操作人员可以根据实际堆料场地的形状、物料的性质和堆料要求，在控制台上选择相应的堆料模式。当选择分层堆料模式时，PLC 根据预设的分层厚度和堆料范围，控制吊臂和皮带的运动，使物料均匀地堆积成一层一层的形状。在每层堆料过程中，通过传感器实时监测物料的堆积高度和位置，当达到预设的分层厚度时，自动调整吊臂的高度，开始下一层的堆料。当选择锥形堆料模式时，PLC 控制吊臂以一定的角度和半径进行回转运动，同时皮带持续输送物料，使物料堆积成锥形。在堆料过程中，根据锥形的形状要求，实时调整吊臂的回转速度和物料的输送量，保证锥形堆料的形状规则。定点堆料模式则适用于需要在特定位置进行集中堆料的情况。操作人员在控制台上设定好堆料的位置和范围，PLC 控制吊臂和皮带将物料准确地输送到指定位置进行堆积。通过这些堆料模式的切换，设备能够灵活地满足不同的堆料作业需求，提高堆料的质量和效率。

6  改造后设备的性能测试与分析

6.1 测试方案制定

在完成对闲置吊车的改造后，为了全面评估其性能是否满足堆料作业的要求，制定了详细的测试方案。测试项目涵盖了堆料效率、皮带运行稳定性、液压系统性能以及电气控制系统功能等多个关键方面。

堆料效率测试旨在衡量设备在单位时间内完成的堆料量。采用的测试方法为在一定时间内，向设备输送定量的物料，记录设备完成堆料所需的时间，从而计算出堆料效率。具体步骤为：首先确定测试场地，清理场地内的杂物，确保堆料区域平整。然后准备一定量的物料，如焦炭，其质量为5000 吨。启动设备，将物料通过皮带输送至堆料区域，同时使用计时器记录堆料开始时间。在堆料过程中，保持物料的输送速度和设备的运行状态稳定。当物料全部堆放到指定区域后，停止计时器，记录堆料结束时间。根据堆料时间和物料质量，计算堆料效率，计算公式为：堆料效率 = 物料质量 ÷ 堆料时间。

皮带运行稳定性测试主要检查皮带在运行过程中是否出现跑偏、打滑、异常振动等问题。测试时，让皮带在空载和满载两种工况下运行，通过观察和测量来评估其稳定性。在空载运行时，启动皮带驱动电机，使皮带以正常运行速度运转，观察皮带的运行轨迹，检查是否有跑偏现象。使用直尺或其他测量工具，测量皮带边缘与滚筒边缘的偏差，记录跑偏量。同时，倾听皮带运行过程中是否有异常噪音，观察皮带是否有抖动或振动现象。在满载运行时，向皮带上输送物料，使皮带达到额定负载，再次观察皮带的运行状态，重复上述测量和检查步骤。若发现皮带跑偏，分析跑偏原因，如皮带张紧度不均匀、托辊安装不平行等，并进行相应的调整和处理。

电气控制系统功能测试通过模拟各种操作指令，检查系统的响应速度、控制精度以及各项保护功能是否正常。使用专门的测试设备，向电气控制系统发送启动、停止、调速、堆料模式切换等指令，观察系统的响应时间和执行效果。在发送启动指令后，记录系统从接收到指令到设备开始动作的时间，评估响应速度。在调速过程中，检查设备的速度变化是否平稳，是否能够准确达到设定的速度值，以评估控制精度。对系统的过载保护、短路保护、限位保护等功能进行测试，模拟相应的故障情况，检查系统是否能够及时发出报警信号并采取保护措施，确保设备和人员的安全。

6.2 性能测试结果

通过一系列严谨的测试，获得了改造后设备在各项性能指标上的具体数据，这些数据直观地反映了设备的实际运行能力和效果。

堆料效率测试结果显示，在不同物料种类和工况下，设备的堆料效率表现出色。当输送煤炭时，在标准工况下（物料粒度、湿度等符合正常范围），设备的平均堆料效率达到了450 吨 / 小时，与设计预期相符。通过对不同工况下堆料效率数据的分析，绘制出堆料效率与物料种类、输送速度等因素的关系曲线，如图 2 所示。

图2 堆料效率与输送速度关系曲线

从曲线中可以清晰地看出，随着物料输送速度的增加，堆料效率呈现先上升后趋于平稳的趋势。当输送速度达到一定值后，由于设备的机械性能限制和物料输送过程中的阻力等因素，堆料效率不再显著提高。不同物料种类对堆料效率也有明显影响，煤炭等粒度较小、流动性较好的物料，堆料效率相对较高；而砂石等粒度较大、摩擦系数较大的物料，堆料效率相对较低。

皮带运行稳定性测试结果表明，在空载和满载工况下，皮带均能保持稳定运行。在空载运行时，皮带的跑偏量控制在极小范围内，最大跑偏量不超过5 mm，符合行业标准要求。皮带运行过程中无明显振动和噪音，运行平稳。在满载运行时，尽管皮带承受了较大的物料重量和张力，但通过合理的张紧装置和托辊布置，皮带的跑偏量依然控制在8mm 以内，确保了物料的稳定输送。皮带在运行过程中未出现打滑现象，驱动电机的电流和温度均在正常范围内，表明皮带与驱动滚筒之间的摩擦力能够满足物料输送的需求。

电气控制系统功能测试结果显示，系统的响应速度快，控制精度高。在发送启动指令后，设备能够在0.05秒内迅速响应并启动，响应速度满足实际作业需求。在调速过程中，设备能够准确地按照设定的速度值进行调整，速度偏差控制在±5%以内，实现了对设备运行速度的精确控制。各项保护功能正常，当模拟过载、短路等故障时，系统能够在10毫秒内迅速发出报警信号，并采取相应的保护措施，如切断电源、停止设备运行等，有效地保障了设备和人员的安全。

6.3 结果分析与优化建议

综合测试结果来看，改造后的设备在堆料效率、皮带运行稳定性以及电气控制系统功能等方面均表现良好，基本满足了预期的设计要求，展现出在实际堆料作业中的应用潜力。堆料效率方面，在不同物料工况下，设备的堆料效率虽有波动，但总体处于较高水平，能够适应常见散状物料的堆料需求。这得益于合理的皮带设计和高效的驱动系统，使得物料能够快速、稳定地输送至堆料区域。皮带运行稳定性在空载和满载工况下均得到了有效保障，通过精确的张紧控制和合理的托辊布局，确保了皮带在运行过程中的平稳性，减少了因皮带问题导致的故障风险。

然而，测试过程中也暴露出一些有待改进的问题。在堆料效率方面，当物料的湿度较大或颗粒度不均匀时，堆料效率会出现明显下降。这是因为湿度较大的物料容易粘连在皮带上，导致皮带输送阻力增大，影响输送速度；而颗粒度不均匀的物料在输送过程中可能会造成皮带受力不均，引发皮带跑偏等问题，进而降低堆料效率。针对这一问题，建议在后续优化中，增加物料预处理环节，如对湿度较大的物料进行烘干处理，对颗粒度不均匀的物料进行筛选或破碎，以提高物料的均匀性和流动性。同时，优化皮带的表面处理工艺，采用具有更好防粘性能的材料或涂层，减少物料在皮带上的粘连。

在皮带运行稳定性方面，虽然整体表现良好，但在长时间运行后，仍发现皮带存在轻微的磨损现象。这主要是由于皮带与托辊、滚筒之间的摩擦以及物料对皮带的冲击所致。为解决这一问题，可选用耐磨性更好的皮带材料，提高皮带的使用寿命。优化托辊和滚筒的结构设计，减少其与皮带之间的摩擦力。例如，采用自润滑托辊，降低托辊的转动阻力，减少对皮带的磨损；对滚筒表面进行优化处理，增加其表面粗糙度，提高与皮带之间的摩擦力，同时减少皮带的打滑现象。加强对皮带的日常维护和保养，定期检查皮带的磨损情况，及时更换磨损严重的部件，确保皮带的正常运行。

展望未来，随着工业自动化和智能化技术的不断发展，对堆料设备的性能和智能化水平提出了更高的要求。在后续研究中，可以进一步引入先进的传感器技术和智能控制算法，实现设备的智能化运行和远程监控。利用物联网技术，将设备的运行数据实时传输到监控中心，操作人员可以通过手机、电脑等终端设备随时随地监控设备的运行状态，及时发现并解决问题。引入人工智能技术，对设备的运行数据进行分析和预测，提前预警设备故障，实现预防性维护，提高设备的可靠性和运行效率。还可以探索将新能源技术应用于堆料设备，如采用电动驱动代替传统的燃油驱动，减少设备的能耗和环境污染，实现绿色堆料作业。

7  结论与展望

7.1 研究成果总结

本研究成功将闲置吊车改造为具备堆料功能的设备，实现了对闲置资源的有效利用，在技术和实际应用方面取得了显著成果。

在技术层面，通过对吊车结构、电气控制系统等多方面的改造与创新，攻克了一系列技术难题。设计了合理的吊臂与皮带连接方式，确保了运行皮带在吊臂上的稳定安装和可靠运行。选用了合适的皮带材料和结构，保证了皮带的强度和耐磨性，满足了堆料作业对皮带性能的要求。自主开发的电气控制系统，采用先进的 PLC技术和传感器，实现了对设备的自动化控制和实时监测，提高了设备的运行精度和安全性。

从实际应用效果来看，改造后的设备在堆料作业中表现出色。堆料效率达到了预期目标，在不同物料和工况下，均能保持较高的堆料速度，满足了工业生产中对堆料效率的要求。皮带运行稳定性良好，在空载和满载工况下，皮带均未出现明显的跑偏、打滑等问题，保证了物料的稳定输送。液压系统性能稳定，各执行元件动作顺畅，能够准确地实现吊臂的升降、回转和变幅等动作。电气控制系统响应速度快，控制精度高，操作人员可以通过人机界面方便地对设备进行操作和监控，提高了作业的便捷性和安全性。

7.2 研究的不足与展望

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处。在设备的可靠性和耐久性方面，虽然经过测试验证设备能够满足基本的堆料作业需求，但由于实际工况的复杂性和多样性，设备在长期运行过程中可能会出现一些潜在的问题。例如，皮带的磨损、液压系统的泄漏以及电气元件的老化等，这些问题可能会影响设备的正常运行和使用寿命。在未来的研究中，可以进一步加强对设备关键部件的可靠性设计和耐久性研究，采用更先进的材料和制造工艺，提高设备的可靠性和耐久性。

从技术创新的角度来看，目前设备的自动化和智能化程度还有待提高。虽然电气控制系统实现了基本的自动化控制功能，但与先进的智能化堆料设备相比，还存在一定的差距。例如，在设备的故障诊断和预测方面，目前主要依赖人工巡检和简单的报警系统，无法实现对设备故障的提前预警和智能诊断。在未来的研究中，可以引入人工智能、大数据分析等先进技术，实现设备的智能化管理和故障诊断，提高设备的运行效率和安全性。

在市场推广方面，虽然改造后的设备具有成本低、灵活性高等优势，但由于其属于新型设备，市场认知度较低，推广难度较大。为了更好地推广应用该设备，需要加强市场宣传和推广工作，提高设备的知名度和市场竞争力。

展望未来，随着工业技术的不断发展，堆料设备的智能化、绿色化和高效化将成为发展趋势。未来的研究可以朝着这些方向展开，进一步提升设备的性能和技术水平。在智能化方面，深入研究人工智能、物联网等技术在堆料设备中的应用，实现设备的自主决策、远程监控和智能运维。通过传感器实时采集设备的运行数据，利用人工智能算法对数据进行分析和处理，实现对设备运行状态的实时监测和故障预测，提高设备的可靠性和运行效率。在绿色化方面，探索新能源技术在堆料设备中的应用，如采用电动驱动代替传统的燃油驱动，减少设备的能耗和环境污染。研发高效的除尘和降噪技术，降低设备运行过程中对环境的影响，实现绿色堆料作业。在高效化方面，不断优化设备的结构设计和控制系统，提高设备的堆料效率和作业质量。通过改进皮带的输送方式、优化吊臂的运动轨迹等措施，进一步提高设备的堆料速度和精度，满足工业生产对堆料效率的更高要求。

本研究为闲置吊车的再利用和堆料设备的创新发展提供了有益的参考，未来需要针对研究中的不足，不断探索和创新，推动堆料设备技术的持续进步和广泛应用。

参考文献

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