大噸位澆包轉軸位置的確定方法

周自斌，楊崇英

（河南省工業學校，河南 鄭州 450011)

目前，隨著我國成套設備制造能力的不斷提高，設備中鑄造件通常要占到設備零件總量的一半以上。澆注鑄件使用的澆包的轉軸位置是影響澆包使用性能的關鍵因素。尤其是用于澆注大型鑄件的大噸位澆包，使用中既要操作靈活，又要安全可靠。在設計制作10t傾轉錐筒式澆包時，轉軸的位置恰當與否直接影響澆包的使用效果。在設計中經過對澆包轉軸位置的分析計算，找到合理的位置，是保證澆包在使用過程中安全、靈活、經濟的重要因素。

圖1是傾轉錐筒式澆包示意圖。其工作原理和用途是：由起重設備將澆包吊至高爐前，包內注入鐵水后，將澆包吊運至鑄型，人工轉動手輪2.通過減速機構3驅使包體1傾轉，將包內鐵水徐徐注入型腔。在這一系列工作過程中，首先要求安全可靠，不允許因出現失控而造成事故；再者要求操作輕便靈活，減輕人工操作的疲勞。對于一般小型澆包來說，以上二者的矛盾不很突出。對于諸如10t以上的大型手搖澆包來說，二者矛盾顯得特別尖銳。通常在設計制作大噸位澆包時，寧可使其操作笨重一些，也要保證其安全可靠。能否尋求一個二者兼顧的最佳方案？本文就這個課題進行了分析研究，找到了較為滿意的答案。現就澆包轉軸位置的設計原理及驗算方法作如下說明。

1 澆包轉軸位置的確定

圖2是澆包轉軸位置示意圖。圖示狀態為包體1內鐵水已充注到規定最高液面5，澆注過程中，包體1繞轉軸2轉動。由平衡理論可知，當鐵水液面達到規定最高液面5時，假如澆包和其內的鐵水的合重心恰恰落在轉軸軸心線上（如圖2中的4點），包體和鐵水則處于平衡的臨界狀態。因減速機構中的蝸輪蝸桿的自鎖作用，包體不會傾轉。但特別值得注意的是：1）注入澆包的鐵水量可能超過規定，甚至鐵水液面與澆包上口面平齊。此時合重心點4上移，外加擺動力的作用，可能迫使蝸輪蝸桿破壞；2）在澆包處于平衡臨界狀態下減速機構意外失控。一旦出現以上情況，即會釀成惡性事故。所以確定澆包轉軸位置時不能按圖2所示的臨界狀態設計。

如圖3所示，設計轉軸位置，首先需要從澆包內注滿鐵水考慮，圖中鐵水液面5與澆包上口平齊。在此狀態下，可將包體與鐵水的合重心3落在轉軸的軸心線上。通過合重心的水平線就是待確定的轉軸軸心線。雖然在此狀態下澆包仍處于臨界平衡狀態，由于在包體上設計有安全卡。除此以外，只要包內鐵水液面低于澆包上口面，合重心便在轉軸軸心線以下，包體完全處于平衡。

圖4所表示的是澆包在澆注過程中的某個狀態。此時人工轉動手輪的施力5的力矩與包體及鐵水的合重力4的力矩相等。顯而易見，如果包體與鐵水的合重力的作用點距轉軸軸心線的距離△S過大，迫使人工轉動手輪的施力加大，勢必操作困難。因此必須尋求△S的變化規律及其最大值。

為了便于分析，我們假設澆包為直圓柱。圖5是澆注過程中，包體傾轉α角時包內鐵水垂直于地面的最大截面狀態圖。由于鐵水以此截面為對稱，所以可以用其面積表示鐵水的重量。把ACEF分成直角△ABC和矩形ABEF兩部分，EF為澆包底平面，AC為鐵液水平面。在我們設計的10t澆包中，EF=1260mm=h EC=1420mm=b

以下通過五個步驟建立計算鐵水重心G點位置的數學模型：

（9）式即為計算鐵水重心G點位置的數學模型。每取一個值，GK的值及G2G值都可取得。雖然G2G和GK不在同一直線上，由于誤差不大，可以忽略。將由逐漸減少到的一系列值及之值代入式。便可得到G2G的一系列值。

當 α=41°33′時，如圖 6所示，澆包內鐵水垂直于地面的最大截面ABC呈直角三角形。在此狀態下，根據直角三角形性質可得：

當 α＜41°33′時，如圖 7 所示，澆包內鐵水與地面垂直的最大截面呈直角△ABC，所以鐵水重心G1的位置為：

圖7 澆包傾角α＜41°33＇時鐵水重心分析圖

EJ的值固定不變，G1J的值隨α的減小而減小，當α=0時，G1J=0。

由（9）式及其他計算公式，代入設計的10t澆包有關數據，得出表1中各數值。

表1 不同轉角的澆包位置數據

由表1中的數據，可繪出鐵水和包體得合重心到包體轉軸軸心線之距△S與傾角α的關系如圖8，以及澆包和鐵水的合重力的轉矩△W與澆包傾角α的關系曲線如圖9。

綜合以上分析可得，在澆注過程中，隨著傾角α的減小，包體與鐵水合重心的位置逐漸下降，當α=41°33′時，合重心距澆包轉軸軸心線之距達到最大值。試驗10t的澆包在澆注過程中，當α=41°33′時，澆包與鐵水的合轉矩的最大值為1655 N·m。此時人工轉動手輪是否輕便，可作如下校驗：

校驗公式：F人·S·i=W最大

F人——人工轉動手輪的切線力，N；

S——人工轉動手輪的切線力之臂，m；

i—減速機構傳動比；

W最大—澆包與鐵水的最大合轉矩，N·m。

筆者帶入10t澆包設計中數據：

計入摩擦系數K=0.5得：

根據實踐經驗，只要不大于300N，即滿足要求，可見據此設計轉軸位置合理。

2 結論

通過理論分析和實踐驗證可知，在大噸位傾轉錐筒式澆包的設計中，包體轉軸位置應取在包內注滿鐵水（鐵水表面與澆包上口平齊）的狀態下的包體與鐵水合重心的水平線上。初步設計完成后，轉軸位置是否合理，再通過上述校驗公式進行校核，如果不當，通過改變包體幾何尺寸，減速機構傳動比來調整。實踐證明自行設計的10t鐵水包，與外購件相比節約資金5.6萬余元，同時為生產大型鑄件創造了良好條件。