工具小車回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)及回轉(zhuǎn)支承的選型計(jì)算

張世軍

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

工具小車回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)及回轉(zhuǎn)支承的選型計(jì)算

張世軍

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

本文闡述了鋁電解多功能機(jī)組工具小車回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過程中存在問題及不足，主要表現(xiàn)在由于空間結(jié)構(gòu)限制，回轉(zhuǎn)裝置中回轉(zhuǎn)支承上、下把合螺栓的檢修維護(hù)十分困難，更換難度大且成本較高。針對(duì)以上問題，本文提出了回轉(zhuǎn)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案并介紹了回轉(zhuǎn)裝置關(guān)鍵部件回轉(zhuǎn)支承的選型計(jì)算方法，明確了回轉(zhuǎn)支承的選型依據(jù)及具體計(jì)算方法，有利于縮短鋁電解多功能機(jī)組的檢修維護(hù)周期，保證鋁電解多功能機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行效率，從而提高電解鋁生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。

鋁電解多功能機(jī)組； 回轉(zhuǎn)裝置； 結(jié)構(gòu)改進(jìn)； 回轉(zhuǎn)支承

0 前言

鋁電解多功能起重機(jī)是大型鋁電解生產(chǎn)的關(guān)鍵操作設(shè)備，隨著制鋁行業(yè)中的電解槽技術(shù)朝著大容量預(yù)焙電解槽技術(shù)的方向發(fā)展，為保證預(yù)焙電解槽現(xiàn)代化、高效率的平穩(wěn)生產(chǎn)，要求鋁電解多功能起重機(jī)具備更加完備的功能，運(yùn)行更加穩(wěn)定，同時(shí)也要保證設(shè)備日常維護(hù)、維修更加便捷省力。

鋁電解多功能機(jī)組主要由大車、工具小車及出鋁小車幾部分組成。工具小車是鋁電解多功能機(jī)組的核心，機(jī)組對(duì)鋁電解槽進(jìn)行各項(xiàng)操作功能的工具機(jī)構(gòu)通過工具回轉(zhuǎn)裝置安裝在工具小車橫梁框架上。其中，工具回轉(zhuǎn)裝置是工具小車上各項(xiàng)工具滿足全方位操作而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能的核心部件。工具回轉(zhuǎn)裝置中的回轉(zhuǎn)支承位于整個(gè)工具小車的最上部，是連接工具支架和頂部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。回轉(zhuǎn)裝置主要是通過液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并通過回轉(zhuǎn)軸承將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞至工具支架。由于各項(xiàng)工具及其操作產(chǎn)生較大作用力，使得工具回轉(zhuǎn)裝置在一定程度上存在安全隱患。此外，鋁電解多功能機(jī)組所處環(huán)境惡劣，工具實(shí)現(xiàn)的操作對(duì)象為大電流、高溫液態(tài)熔融金屬等高危物質(zhì)，無論是對(duì)工具本身，還是工具運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性都有較高要求。為此，本文在詳細(xì)分析工具回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)及其響應(yīng)動(dòng)作的基礎(chǔ)上，指出現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的弊端，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。此外，還對(duì)回轉(zhuǎn)支承選型提供了一種計(jì)算方法。

1 回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)

鋁電解多功能起重機(jī)工具小車的設(shè)計(jì)需要考慮廠房屋頂標(biāo)高等限制條件，再加上各項(xiàng)工具在電解車間實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)應(yīng)處于水平面內(nèi)。從而，工具回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力與結(jié)構(gòu)重量和承載力的垂直關(guān)系。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)之間的連接方法上應(yīng)慎重考慮。鋁電解多功能機(jī)組則主要通過設(shè)置支架方式來連接工具小車框架橫梁與回轉(zhuǎn)裝置、回轉(zhuǎn)裝置與工具支架。工具回轉(zhuǎn)裝置由上蓋、下蓋、回轉(zhuǎn)支承組成，位于在回轉(zhuǎn)上支架和回轉(zhuǎn)下支架之間(如圖1所示)。其中，回轉(zhuǎn)支承為裝置的核心結(jié)構(gòu)。回轉(zhuǎn)支承是滾動(dòng)軸承式結(jié)構(gòu)，由內(nèi)圈、滾動(dòng)體及具有外齒的外圈組成?；剞D(zhuǎn)支承外圈上的上部把合螺栓穿過上蓋與回轉(zhuǎn)上支架相連，從而使回轉(zhuǎn)裝置得以穩(wěn)定固定。而回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈上的下部把合螺栓穿過下蓋與回轉(zhuǎn)下支架相連，以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)裝置的承載連接結(jié)構(gòu)。工具回轉(zhuǎn)裝置依靠液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)小齒輪，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈與下支架旋轉(zhuǎn)，從而安裝在回轉(zhuǎn)下支架下方的工具支架也就實(shí)現(xiàn)了沿著回轉(zhuǎn)中心作圓周運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)動(dòng)作。

圖1 工具小車回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)有工具回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)存在的問題是：回轉(zhuǎn)支承是通過內(nèi)外圈上設(shè)置的把合螺栓與回轉(zhuǎn)上、下支架連接；而把合螺栓屬于易損件，極易發(fā)生損壞，若不及時(shí)更換，將會(huì)影響整個(gè)工具回轉(zhuǎn)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，乃至工具回轉(zhuǎn)裝置下部各工具的使用。然而，把合螺栓一旦損壞，由于結(jié)構(gòu)所限，把合螺栓頭部均在工具回轉(zhuǎn)裝置上蓋和下蓋中；因此，不能及時(shí)抽出螺栓進(jìn)行更換，而只能借助外部吊運(yùn)設(shè)備將工具回轉(zhuǎn)裝置的上蓋，以及整體托起后進(jìn)行更換，檢修維護(hù)十分困難，且成本較高。

2 回轉(zhuǎn)裝置改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

為了避免上述問題發(fā)生，對(duì)回轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。改進(jìn)后，工具回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：為方便上、下部把合螺栓的維修更換，分別在上蓋和下蓋把合螺栓的圓周上分別設(shè)置檢修孔，大小應(yīng)保證把合螺栓能夠從此孔取出(如圖2、3所示)。

其中上蓋上的檢修孔是設(shè)置在上部把合螺栓圓周上的圓孔，開孔上方設(shè)置有一鋼板把合在上蓋上，以保證工具回轉(zhuǎn)裝置正常使用時(shí)防塵。當(dāng)上部把合螺栓損壞時(shí)，即可打開此鋼板，通過上蓋上的檢修孔取出損壞的把合螺栓進(jìn)行更換；下蓋上的檢修孔是設(shè)置在下部把合螺栓圓周上的圓錐孔，由于回轉(zhuǎn)裝置下蓋盛裝液態(tài)機(jī)械油，因此設(shè)計(jì)帶螺紋的螺塞用于封堵此圓錐孔，以保證下蓋的密封性。當(dāng)下部把合螺栓損壞時(shí)，即可打開此螺塞，通過下蓋上的檢修孔取出損壞的把合螺栓進(jìn)行更換。

圖2 工具小車回轉(zhuǎn)裝置剖面示意圖

圖3 第一檢修孔與第二檢修孔位置示意圖

另外由于工具回轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、空間有限，因此檢修孔的位置確定必須兼顧各機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)行情況，例如第一檢修孔不應(yīng)在第二檢修孔和回轉(zhuǎn)中心的連線上，以方便操作人員進(jìn)行檢修。

該改進(jìn)結(jié)構(gòu)是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)施的，既不更改原結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又不對(duì)原結(jié)構(gòu)加工工藝有影響，還能滿足結(jié)構(gòu)檢修、油路清洗與更換等保養(yǎng)和維護(hù)工作的便捷性需求。此外，早期在電解車間運(yùn)行的鋁電解多功能機(jī)組也可進(jìn)行該改進(jìn)結(jié)構(gòu)的改造施工，可操作性好，且效果顯著。

3 回轉(zhuǎn)裝置回轉(zhuǎn)支承的選型計(jì)算

鋁電解多功能機(jī)組工具回轉(zhuǎn)裝置中回轉(zhuǎn)支承應(yīng)用的是滾動(dòng)軸承式結(jié)構(gòu)，并在軸承外圈帶有齒。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，性能完善，可以同時(shí)承受垂直力、水平力和傾覆力矩。綜合考慮工具小車的受力特點(diǎn)及實(shí)際使用工況，選用單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承。它由兩個(gè)座圈組成，滾柱軸線1∶1交叉排列，接觸壓力角為45°。滾柱與滾道間是線接觸，能承受徑向力、軸向力、傾翻力矩，這種回轉(zhuǎn)支承制造精度高，裝配間隙小，安裝精度要求也較高，符合工具小車回轉(zhuǎn)裝置的使用要求[1]。

回轉(zhuǎn)支承在使用過程中，一般要承受軸向力、徑向力以及傾覆力矩的共同作用，對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，由于主機(jī)的工作方式及結(jié)構(gòu)形式不同，上述三種載荷的作用組合情況將有所變化，有可能是兩種載荷的共同作用，也可能僅僅是一個(gè)載荷的單獨(dú)作用。

鋁電解多功能機(jī)組的具有工具操作和出鋁工作等功能，而回轉(zhuǎn)裝置僅對(duì)各項(xiàng)工具起承載和旋轉(zhuǎn)響應(yīng)，因而其回轉(zhuǎn)支承具有兩種工作狀態(tài)：即一是在不使用工具時(shí)，回轉(zhuǎn)支承僅承受來自各項(xiàng)工具重量的軸向靜力載荷作用；二是工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，不僅承受軸向靜力載荷，還承受來自工具吊重引起結(jié)構(gòu)偏心產(chǎn)生的傾覆力矩作用。

對(duì)單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承的選型計(jì)算，首先要考慮工具回轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由于工具回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際使用中各項(xiàng)工具的回轉(zhuǎn)半徑，以此確定回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn)半徑。因此，回轉(zhuǎn)支承選型時(shí)首先要滿足工具小車回轉(zhuǎn)半徑的要求。

之后，根據(jù)已經(jīng)確定的回轉(zhuǎn)半徑初步選擇回轉(zhuǎn)支承的型號(hào)，再進(jìn)行回轉(zhuǎn)支承承載能力的計(jì)算，以保證所選型號(hào)滿足實(shí)際工況要求。一般來說，回轉(zhuǎn)支承承載能力計(jì)算的原則是：根據(jù)回轉(zhuǎn)支承的靜承載能力曲線進(jìn)行選型計(jì)算；根據(jù)回轉(zhuǎn)支承的動(dòng)態(tài)工況，驗(yàn)算回轉(zhuǎn)支承的動(dòng)承載能力是否滿足要求。

(1)應(yīng)用承載能力曲線進(jìn)行選型計(jì)算

回轉(zhuǎn)支承一般受復(fù)合載荷Fa，F(xiàn)r和M共同作用，為了便于根據(jù)制造廠家提供的承載能力曲線(Fa—M曲線)選擇回轉(zhuǎn)支承型號(hào)，應(yīng)將復(fù)合載荷分量換算為當(dāng)量載荷。

單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承的當(dāng)量載荷F′a，M′計(jì)算公式：

F′a=(ka·Fa+kr·Fr)fs

(1)

M′=Mfs

(2)

式中F′a—回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量中心力，N；Fa—總軸向力，N；Fr—在力矩作用平面的總徑向力，N；M′—回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量?jī)A翻力矩，N；M—傾翻力矩，N；fs—回轉(zhuǎn)支承靜態(tài)工況下安全系數(shù)，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表3- 4- 2回轉(zhuǎn)支承工況系數(shù)可以確定fs=1.45；

ka,kr—載荷換算系數(shù)，隨回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)不同取不同值，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表3- 4- 3回轉(zhuǎn)支承載荷換算系數(shù)可以確定ka=1.225,kr=2.676。

將計(jì)算得到的當(dāng)量載荷F′a，M′的值在回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖(Fa—M曲線，如圖4所示)中找出對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，當(dāng)該點(diǎn)位于某一型號(hào)回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線[2]以下時(shí)，則說明該型號(hào)回轉(zhuǎn)支承滿足使用要求。

1.靜容量 2.動(dòng)容量圖4 回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖

回轉(zhuǎn)支承是保證結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和承載的關(guān)鍵部件，而連接螺栓則是保證回轉(zhuǎn)支承正常工作和穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的緊固零件。因此，連接螺栓選擇的正確與否也至關(guān)重要。連接螺栓的選型原則是，在承載能力曲線中，按靜態(tài)工況計(jì)算得到的當(dāng)量載荷F′a，M′的坐標(biāo)交點(diǎn)落在所選螺栓(8.8級(jí)、10.9級(jí)、12.9級(jí))曲線的下方?；剞D(zhuǎn)支撐與回轉(zhuǎn)裝置安裝時(shí)，安裝連接螺栓的預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到螺栓材料屈服強(qiáng)度的0.7倍。

連接螺栓允許最大預(yù)緊力Fs的計(jì)算公式：

Fs=0.7σs·As

(3)

式中σs—螺栓材料屈服強(qiáng)度，數(shù)值可查表1；As—螺栓計(jì)算截面積，As=(1.022d1)2π/4(mm2)；

d1—螺紋底徑，mm。

表1 螺栓材料性能表

在螺紋和螺帽端面涂油的情況下，安裝時(shí)扳手上允許的最大預(yù)緊扭矩My的計(jì)算公式：

My=0.2Fs·d

(4)

式中d—螺紋名義直徑，mm。

(2)按動(dòng)態(tài)工況校核壽命

F′a=(Fa+2.05Fr)fd

(5)

M′=Mfd

(6)

式中fd—回轉(zhuǎn)支承動(dòng)態(tài)工況下安全系數(shù)。

一般回轉(zhuǎn)支承選型采用上述計(jì)算方法進(jìn)行。當(dāng)對(duì)回轉(zhuǎn)支承運(yùn)行平穩(wěn)性、速度、齒輪傳動(dòng)以及把和螺栓和工藝處理有特殊要求時(shí)，還可根據(jù)實(shí)際需求，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，在此不作詳細(xì)論述。

4 結(jié)論

回轉(zhuǎn)裝置在工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，區(qū)別于工程機(jī)械的鋁電解多功能機(jī)組，其回轉(zhuǎn)裝置使用環(huán)境較為惡劣，而回轉(zhuǎn)裝置的可靠性也是鋁電解多功能機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一，不斷從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)裝置的應(yīng)用弊端，并加以改進(jìn)是回轉(zhuǎn)裝置應(yīng)用日益趨于專業(yè)化的助推動(dòng)力。本文根據(jù)對(duì)回轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)和使用情況的分析結(jié)果，對(duì)回轉(zhuǎn)裝置在維護(hù)性能上進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)更加緊湊，且結(jié)構(gòu)合理、使用可靠，使有限空間得到充分利用，即擴(kuò)大了改進(jìn)回轉(zhuǎn)裝置的功能；把合螺栓檢修維護(hù)方便、提高生產(chǎn)效率，最大限度地降低了人工檢修維護(hù)作業(yè)帶來的勞動(dòng)強(qiáng)度；另外，改進(jìn)設(shè)計(jì)所需成本低，同時(shí)能夠大大降低日常檢修維護(hù)的費(fèi)用，具有極大的推廣和使用價(jià)值。

[1] 張質(zhì)文，虞和謙.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2] JBT2300—2011，回轉(zhuǎn)支承標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] GB/T 3811—2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Improvement of Tool Trolley Rotary Device Structure and Calculation of Slewing Bearing Type Selection

ZHANG Shi-jun

This paper describes problems and shortcomings in the practical application of rotary device structure existing in the process, proposes an improved design structure of rotary device, introduces the selection calculation method of the rotary device key components slewing bearing, clears rotary bearing selection basis and the concrete calculation method, shortens the maintenance period of the PTM, improves the efficiency of the PTM, improves the efficiency of the electrolytic aluminum production, has vital significance.

pot tending machine； rotary device； structure improvement； slewing bearing

2015-02-25

張世軍(1962-)，男，大學(xué)本科，遼寧沈陽人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事科技管理和新產(chǎn)品研發(fā)工作，現(xiàn)任中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)研究院院長(zhǎng)。

TF821

B

1003-8884(2015)03-0029-04