鋼包運輸車的結(jié)構(gòu)與設(shè)計

任 彤，方杞清，陳亞文，雷雨田，張 鈺，喬進鋒

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．蘇州寶聯(lián)重工有限公司，江蘇 蘇州 215152)

0 概述

鋼包運輸車(以下簡稱鋼包車)是冶金行業(yè)應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，設(shè)計鋼包車時應(yīng)最大限度滿足以下兩點:其一是工作的可靠性。鋼包車在整個煉鋼工藝中地位舉足輕重。從轉(zhuǎn)爐、二次精煉、最終到達連鑄，各種工藝流程中鋼水在地面的運輸都依靠鋼包車來完成，尤其在二次精煉設(shè)備中，必須依靠鋼包車才能完成整個精煉處理過程。因此，鋼包車的設(shè)計必須有很高的可靠性;其二是使用的經(jīng)濟性。濟經(jīng)性的評價主要以鋼包車的設(shè)備購置費和所期望的壽命為依據(jù)。鋼包車的經(jīng)濟性與所選用的設(shè)計方案緊密相關(guān)，減少鋼包車的自重，可以減少設(shè)備購置費的投入;鋼包車一般采用電機和減速機驅(qū)動，設(shè)計合理的驅(qū)動系統(tǒng)，減少能源消耗即減少鋼包車的驅(qū)動功率，可以減少后期的生產(chǎn)費用?？梢姡岣咪摪嚨慕?jīng)濟性，必須優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)，方能達到預(yù)期的經(jīng)濟性。

本文依據(jù)以上兩點的要求，從鋼包車的傳動裝置以及車架結(jié)構(gòu)入手，詳細討論鋼包車的結(jié)構(gòu)與設(shè)計。

1 傳動裝置設(shè)計

傳動裝置是整個鋼包車的“心臟”，為鋼包車運行提供動力，選擇合適速比和功率的減速機和電機是設(shè)計合理、經(jīng)濟、可靠的傳動裝置的關(guān)鍵。

1．1 減速器速比確定

傳動裝置的電機采用變頻控制，獲得鋼包車在起動、勻速行駛、減速的不同狀態(tài)時的合適速度。鋼包車運行時的速度必須滿足煉鋼的工藝要求，但為了安全，鋼包車的最大運行速度為25～30 m/min，在計算減速器速比及功率時，必須以鋼包車的最大速度計算，其公式如下

式中，i為驅(qū)動減速器的速比;n為電機的轉(zhuǎn)速，r/min;d為車輪直徑，m;vmax為鋼包車的最大運行速度，m/min。

鋼包車的最大運行速度與工藝要求有關(guān)，一般選擇25～30 m/min。由于運輸?shù)氖?600℃的鋼水，重量最大達600 t，因慣性的存在，過高的速度會對設(shè)備以及人員造成潛在的危險。

1．2 鋼包車驅(qū)動功率計算

鋼包車正常工作時需頻繁起動、停止，所以驅(qū)動功率應(yīng)以鋼包車起動時的消耗功率作為驅(qū)動鋼包車的額定功率。

鋼包車平穩(wěn)運行時，阻力矩主要來自車輪與軌道、軸承的摩擦力，根據(jù)牛頓第三定律，這時電機所需力矩為

式中，M1為鋼包車平穩(wěn)運行時的動力矩，N·m;N為鋼包車在滿載運行時的重量，N;f為滾動摩擦半徑(有時也稱為滾動摩擦系數(shù))，m;對于鋪設(shè)良好的光滑軌道，f=0．0005 m;μz為滾動軸承的摩擦系數(shù)，μz=0．0015～0．003;dz為滾動軸承的摩擦當量半徑，m;λ1為修正系數(shù)。

在公式(2)中，需要說明的是修正系數(shù)的選用。在現(xiàn)有文獻中對鋼包車滾動摩擦力計算中，未明確提出修正系數(shù)這個概念，由于對軌道和車輪的摩擦沒有準確的數(shù)學(xué)模型，軌道與鋼包車有誤差等，工程設(shè)計中往往對理論計算的數(shù)值要進行修正，目的是為了提高鋼包車運行和停止的安全性。因此建議工程中計算鋼包車滾動摩擦力矩或類似結(jié)構(gòu)時，引入修正系數(shù)對鋼包車的阻力矩進行修正。

現(xiàn)有鋼包車的車輪結(jié)構(gòu)一般采用雙輪緣，如圖1a所示，輪緣限制了鋼包車的跑偏或橫向滑移，車輪在軌道上運行，輪緣就會因軸向力和摩擦力而受載產(chǎn)生輪緣應(yīng)力，如圖2所示。理論上輪緣與軌道之間的接觸面會出現(xiàn)一個拉長的接觸橢圓，用很小的軸向力就能計算出很高的接觸應(yīng)力，并遠遠超過起重機車輪和軌道材料的屈服極限，而實際上不會達到這么高的應(yīng)力，原因是應(yīng)力只要達到屈服極限附近，增加很小時的塑性變形，可使接觸表面加大到原假設(shè)彈性體所計算面積的許多倍。由于輪緣與軌道的摩擦既有滾動摩擦又有滑動摩擦，所以此應(yīng)力值的大小在理論和實際上都很難計算，在實際應(yīng)用中由修正系數(shù)λ1的大小來估算這些無法準確計算的摩擦力，修正系數(shù)的取值范圍大致在1．3～1．5之間，仍需在工業(yè)應(yīng)用中進一步驗證。

鋼包車起動時不僅需要克服在平穩(wěn)運行時的阻力，還需要克服慣性力，鋼包車在時間t內(nèi)，速度從零加速到vmax，就會產(chǎn)生平移的慣性力，則電機克服平移慣性所需力矩為

式中，Ma為鋼包車起動時的慣性矩，N·m;m為鋼包車運輸車滿載時的總質(zhì)量，kg;t為起動時間，s。

同時對于電機、聯(lián)軸器、減速器等轉(zhuǎn)動件，折合到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量JD為

式中，JD為折合到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2;J1，2，3…為各 軸的 轉(zhuǎn) 動 慣 量，角 標 1，2，3……表示第一級轉(zhuǎn)動軸(包括電機軸)，第二級轉(zhuǎn)動軸，第三級轉(zhuǎn)動軸，……;i1，2，i2，3，i3，4為前后兩級傳動軸之間的傳動比。

在較大速比時，低速級的轉(zhuǎn)動慣量折合到電機軸的數(shù)量很小，在實際工程計算中，折合到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量可以采用下面的近似公式

式中，J1為電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量;JC為聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量;JG為減速器輸入軸的轉(zhuǎn)動慣量;λ2為轉(zhuǎn)動慣量的折合系數(shù)，一般可近似為λ=1．05 ～1．1。

則鋼包車起動時，克服轉(zhuǎn)動慣量所需的力矩為

式中，Mε為電機克服轉(zhuǎn)動慣量所需的力矩，N·m。

根據(jù)以上計算，鋼包車起動時電機所需轉(zhuǎn)矩為

式中，M∑為鋼包車起動時電機所需的力矩和，N·m;

則鋼包車起動時電機所需理論驅(qū)動功率為

式中，PD為鋼包車起動時電機所需的力矩和，kW;η為驅(qū)動效率。

在實際應(yīng)用中，鋼包車的驅(qū)動功率與理論計算不能完全符合，原因如下:

(1)鋼包車的加工、安裝誤差。所有鋼包車的誤差會引起鋼包車各相對轉(zhuǎn)動部件的附加力，使所需的驅(qū)動力增加;

(2)軌道的安裝誤差。軌道的水平度和垂直度，以及軌道基礎(chǔ)的剛性是影響鋼包車驅(qū)動功率大小的主要因素;

(3)各種效率的誤差。電機、減速機、軸承等的效率是基于試驗而得到的，而在實際應(yīng)用中由于各種條件與試驗條件不盡相同，使得實際效率與試驗測定的效率不同。

由于以上的原因，鋼包車驅(qū)動功率的理論計算值偏小，最終根據(jù)工程應(yīng)用的特點對計算的理論功率進行修正。

2 傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

在確定鋼包車驅(qū)動所需電機功率和轉(zhuǎn)速后，就要確定鋼包車傳動裝置的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)必須保證鋼包車工作的可靠性。在冶金行業(yè)中，鋼包車驅(qū)動一般采用雙電機減速機獨立驅(qū)動，在一臺電機或減速器出現(xiàn)故障時，短時間內(nèi)剩余的一臺電機減速器仍可以單獨將鋼包車慢速驅(qū)動，保護整個煉鋼工藝的連續(xù)性。

圖3是典型的單側(cè)獨立傳動結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比較廣泛，可安裝于鋼包車的前部或后部的兩側(cè)車輪軸上;由于采用兩臺不同的電機減速機獨立驅(qū)動兩側(cè)車輪，車輪的同步性需要調(diào)試;在兩臺電機及減速機均正常工作時，鋼包車通過兩根軌道上的兩個車輪同時驅(qū)動，鋼包車兩側(cè)車輪的驅(qū)動力在理論上相等，鋼包車的運行是平穩(wěn)可靠的。但是當其中一臺電機或減速機出現(xiàn)故障時，只能用剩余的一臺電機和減速機驅(qū)動鋼包車，鋼包車的水平面受力簡圖如圖4a所示。f1～f4分別為每個車輪所受的阻力，鋼包車平穩(wěn)運行時，根據(jù)力的平移定理，作用在鋼包車中心O點的除驅(qū)動力F，還有驅(qū)動力相對于O點所產(chǎn)生的力偶矩M，如圖4b所示。由于鋼包車一般為對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，所以所有車輪的滾動摩擦力平移至鋼包車中心O點時，其各力所附加的力偶矩在理論上是相互抵消的。正是由于力偶矩M的存在，使鋼包車有繞中心O點轉(zhuǎn)動的趨勢，最終的結(jié)果是使部分車輪輪緣與軌道的摩擦力大大增加，所需的驅(qū)動力也大大增加，而此時只有一臺電機單車輪驅(qū)動，其負荷大大增加，增加了其損壞的可能性。

如圖3所示，傳動結(jié)構(gòu)在一臺電機或減速機故障時，用剩余一臺電機和減速機驅(qū)動時所產(chǎn)生的力偶矩M是十分有害的，為了避免采用單臺電機減速器驅(qū)動時出現(xiàn)附加的力偶矩M，可以采用圖5所示的四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，兩臺電機和減速機分別位于鋼包車的前后，每臺電機和減速機分別驅(qū)動前后兩側(cè)的一組車輪。這樣在單臺電機或減速機出現(xiàn)故障時，剩余的一臺電機和減速機仍同時驅(qū)動一組車輪，其驅(qū)動力平移至鋼包車中心O時無附加的力偶矩M(兩側(cè)的驅(qū)動力平移至中心的附加力偶矩大小相等，方向相反相互抵消)，所以運行的平穩(wěn)性與正常工作相同，在故障狀態(tài)下可以較長時間慢速運行，保證整個煉鋼工藝的連續(xù)性。

圖3 鋼包車單側(cè)獨立傳動結(jié)構(gòu)Fig．3 Independent driving mechanism on one side of ladle transfer car

(1)車架結(jié)構(gòu)設(shè)計。鋼包車車架是承載、運輸鋼包的支架，必須有足夠的強度和剛度。車架根據(jù)其結(jié)構(gòu)分為分體式和整體式，分體式車架為了運輸方便可以拆解成幾個部件，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。由承載梁1和連接梁2組成，承載梁與連接梁均為箱形梁結(jié)構(gòu)，之間采用高強度螺栓連接，為保證拆卸后重新安裝的相對尺寸和精度，各連接法蘭采用雙錐銷定位，并在各梁上作裝配標記，以便在現(xiàn)場順利安裝。

圖6 分體式車架結(jié)構(gòu)Fig．6 Structure of split carframe

如果運輸方便，建議采用整體式車架，即車架的各梁之間采用焊接，即將圖6中的連接法蘭取消，各梁之間采用焊接，圖6中的右上角承載梁1與連接梁2的焊接結(jié)構(gòu)如圖7所示。需要注意的是，各梁之間應(yīng)采用錯位焊接方式，即各梁上各鋼板的焊接位置不在同一平面內(nèi)，可減少焊縫的應(yīng)力集中，加強車架整體結(jié)構(gòu)的強度和剛度。

圖7 整體式車架結(jié)構(gòu)Fig．7 Structure of integral carframe

整體式車架與分體式車架比較，剛度優(yōu)于分體式車架，建議在運輸允許的情況下，盡可能采用整體式車架。

車架梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，決定鋼包車的承載能力，一般車架的梁均采用箱型梁，按照等強度理論，車架承載梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)為變截面梁，但為了制造方便，一般采用階梯梁結(jié)構(gòu)。

(2)鋼包車輪系設(shè)計。鋼包車車輪的設(shè)計應(yīng)滿足鋼包車的運行特點:即較高的輪壓，較低的速度。車輪的設(shè)計與軌道有關(guān)。在冶金行業(yè)中，鋼包車所采用的軌道為起重機軌道。如圖1所示，車輪結(jié)構(gòu)可分為雙輪緣、單輪緣和無輪緣;在冶金行業(yè)中，由于鋼包車的載重量很大，一般采用雙輪緣結(jié)構(gòu)，車輪直徑從250～1200 mm的范圍內(nèi)，輪緣高度從15～25 mm，輪緣傾斜角β選擇在80°～82°之間;合理的輪緣結(jié)構(gòu)，可以大大減小運行過程中的磨損。

鋼包車的車輪組分為固定車輪組和浮動車輪組，固定車輪組應(yīng)用于四輪支承的鋼包車，浮動車輪組應(yīng)用于四輪以上支承的鋼包車，主要是八輪支承結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中，運輸?shù)匿摪?50 t以下時，一般采用四輪承載，每個車輪通過車輪軸兩端的軸承固定安裝于車架上，稱其為固定式車輪組，是應(yīng)用最成熟廣泛的結(jié)構(gòu)，每個車輪的結(jié)構(gòu)如圖8所示，車輪1由安裝在車輪軸2上對稱分布的兩個軸承3支承。

有時根據(jù)工藝要求，為了降低鋼包車的高度，可以采用多于四個車輪的結(jié)構(gòu)，這樣可以在不改變車輪的輪壓的條件下，減小車輪直徑;運輸?shù)匿摪?50 t以上時，由于車輪的輪壓限制，必須采用八個車輪承載，每組車輪共兩個，為了使每組的兩個車輪均衡載荷，車輪組與車架之間采用鉸接軸連接，稱其為浮動車輪組結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)布置如圖9所示，每兩個車輪相對固定安裝在支架上，形成一個車輪組結(jié)構(gòu)，如圖8中的1所示。車輪組與車架之間通過鉸接軸連接，每個車輪組均可繞鉸接軸的軸線旋轉(zhuǎn)一定的角度，每個車輪的支承結(jié)構(gòu)與固定車輪組中的單個車輪的支承結(jié)構(gòu)相同，即可采用如圖8所示的支承結(jié)構(gòu)。鋼包車在運行時，每個車輪組根據(jù)軌道高度的微變化，在重力的作用下，可自動調(diào)整兩個車輪相對于鉸接軸的相對位置，始終使每個車輪均與軌道完全接觸，平衡由于軌道的不平度而引起的載荷不均，使鋼包車的總重量均勻分配給每個車輪，使每個車輪的輪壓近似相等，避免部分車輪懸空而引起的其它車輪輪壓增加劇非正常磨損，使后期的維修成本增加，鋼包車的經(jīng)濟性大打折扣，影響鋼包車的運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。

車輪軸的支承軸承優(yōu)先選用調(diào)心滾子軸承，內(nèi)外圈與滾珠之間為球面配合，可補償加工和安裝以及軸的變形引起的同軸度誤差，同時降低軸變形對軸承的敏感度小。受條件限制也可考慮采用雙列圓錐滾子軸承。

由于車輪的速度很低，每分鐘約5～15 r/min，軸承在低速下發(fā)熱量很小，最有效的潤滑方式是脂潤滑，定期給軸承座內(nèi)注入適量潤滑脂，即可滿足車輪支承軸承的潤滑需要。

(3)鋼包車的隔熱保護。由于鋼包車運輸?shù)氖?500℃的鋼水，如果產(chǎn)生溢鋼或漏鋼，會對車架及傳動裝置造成嚴重破壞，所以在設(shè)計中應(yīng)考慮鋼包車的隔熱。對車架來說，主要是砌耐火磚及漏鋼溢鋼的導(dǎo)流;而對于傳動裝置，由于有電纜、潤滑油等危險性的特質(zhì)存在，必須做嚴格的隔熱保護。

傳動裝置的隔熱應(yīng)從兩個方面進行，即傳動裝置的上方和下方的隔熱。傳動裝置的上方主要是溢鋼、漏鋼淋澆和飛濺，所以在傳動裝置的上方必須設(shè)置保護罩，并在周圍砌筑耐火磚。傳動裝置的下方主要是泄漏在軌道周圍的鋼液對傳動裝置的輻射熱，采用鋼板加隔熱巖棉隔離，巖棉的密度和厚度必須滿足相應(yīng)的設(shè)計要求，才能可靠保證傳動裝置的安全性。

在傳動裝置的設(shè)計中，也有將其全部安裝在一個密閉的空間內(nèi)，這樣對保護傳動裝置免受鋼液的破壞十分有利，但長期運轉(zhuǎn)不利于傳動裝置的散熱，在條件允許的情況下，還是應(yīng)該保留通風口，便于系統(tǒng)散熱。

在煉鋼過程中，發(fā)生溢鋼和漏鋼的可能性是必然存在的，鋼包車的隔熱，看來在整個設(shè)計中最微不足道的，但設(shè)計不完善，引起的后果可能是非常嚴重的，所以在鋼包車的設(shè)計中應(yīng)引起足夠的重視。

3 結(jié)束語

鋼包車在冶金生產(chǎn)中的應(yīng)用特別廣泛，其重要性毋庸質(zhì)疑。為了設(shè)計合理經(jīng)濟的鋼包車，必須對其應(yīng)用的環(huán)境條件，所要達到的預(yù)期值進行分析，對所需電機功率及轉(zhuǎn)速，減速器的速比，傳動裝置的布置型式，以及車架結(jié)構(gòu)進行詳細的設(shè)計，同時對其產(chǎn)生故障所引起的各種后果的可能性有充分認識，才能有效避免各種故障對鋼包車的破壞，保證鋼包車長期、可靠、經(jīng)濟的工作。

［1］ M．舍費爾，G．帕耶爾，F(xiàn)．庫爾茨．起重運輸機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］．范祖堯等譯．北京:機械工業(yè)出版社，1991．