RH鋼包頂升臺車的設(shè)計與應(yīng)用

陳 靖

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司冶煉事業(yè)部，上海 201900)

0 前言

傳統(tǒng)的RH真空處理，鋼包臺車在鋼包接受跨接受滿載鋼水的鋼包后運(yùn)行至RH真空處理位，由設(shè)置在軌道中間地坑內(nèi)的大型液壓頂升設(shè)備將鋼包臺車(鋼包托架)和滿水鋼包一同頂起，浸漬管浸入鋼水液面下的規(guī)定位置開始鋼水處理。上述工藝過程中涉及設(shè)備復(fù)雜，在地坑內(nèi)有頂升框架、框架軌道、液壓系統(tǒng)等，因?yàn)殇摪_車和鋼包被一同頂起，液壓系統(tǒng)需做一部分額外功;頂升過程中，鋼包臺車在水平方向處于無約束狀態(tài)，易傾翻，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。為此，寶鋼工程公司精煉事業(yè)部為日本住友金屬鹿島制鐵所設(shè)計了一種具有鋼包頂升功能的新型鋼包臺車。該新型臺車簡化了原有RH處理的工藝設(shè)備，節(jié)省了大量的運(yùn)行維護(hù)工作，提高了鋼包頂升后的整體穩(wěn)定性，并降低了工程投資和人力投入。

1 技術(shù)分析

RH鋼包頂升臺車主要由車架、托架、升降傳動裝置、升降導(dǎo)向裝置、走行傳動裝置、主動車輪組和從動車輪組組成。

如圖1所示，鋼包坐在托架上，其整體由裝配在臺車上的四個螺旋千斤頂支承。頂升導(dǎo)向裝置的導(dǎo)軌架與托架連成整體，提高了托架結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，使托架(帶鋼包)能平穩(wěn)升降。

RH頂升鋼包臺車的主要技術(shù)難點(diǎn)在于升降傳動裝置升降導(dǎo)向裝置和主動車輪組。

圖1 RH鋼包頂升臺車Fig.1 RH steel lable lifting trolley

1.1 升降傳動裝置

鋼包頂升臺車的升降傳動有兩種形式可以采用:一是液壓傳動，二是機(jī)械傳動。

液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)是所需機(jī)構(gòu)少，設(shè)備簡單，缺點(diǎn)是采用多個油缸頂升時同步性不好，對于滿載鋼水的鋼包臺車本身，自身環(huán)境惡劣，高溫多塵，液壓傳動存在安全隱患，系統(tǒng)可靠性不高。機(jī)械傳動雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動效率不高，但是同步性容易實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)安全可靠。因此，鋼包頂升臺車的升降傳動采用機(jī)械傳動，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用螺旋千斤頂。

升降傳動裝置如圖2所示，由螺旋千斤頂、減速器、聯(lián)軸器、電磁離合器、氣動馬達(dá)、電動機(jī)和制動器組成。千斤頂?shù)乃膫€頂頭支承托架的支座，為防止托架發(fā)生水平移動，托架的支座點(diǎn)采用凹形孔。傳動形式為電動機(jī)通過雙輸出軸減速機(jī)和聯(lián)軸器聯(lián)接臺車上一端的兩臺螺旋千斤頂，四臺螺旋千斤頂分別由兩套傳動裝置驅(qū)動。減速機(jī)另一側(cè)輸入軸通過聯(lián)軸器、電磁離合器聯(lián)接一臺氣動馬達(dá)，以備停電和事故狀況時能使鋼包及托架能平穩(wěn)降下。

由于升降裝置有兩套，為實(shí)現(xiàn)其同步有兩種方法:機(jī)械強(qiáng)制同步和電氣控制同步。機(jī)械強(qiáng)制同步即將兩端螺旋千斤頂?shù)妮敵鲚S通過聯(lián)軸器、齒輪箱、中間軸等進(jìn)行強(qiáng)制聯(lián)接，以實(shí)現(xiàn)兩端千斤頂旋升速率相同，該方法需較多機(jī)械設(shè)備才能完成，在臺車有限的空間不易實(shí)現(xiàn)也不經(jīng)濟(jì)。電氣控制同步主要是通過安裝在電動機(jī)輸出軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器反饋實(shí)時信號給馬達(dá)控制中心，由其實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速同步，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器出現(xiàn)故障時，安裝在兩端螺旋千斤頂輸出軸上的測速發(fā)電機(jī)(信號發(fā)生器)充當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器的角色反饋信號，實(shí)現(xiàn)雙保險。

圖2 升降傳動裝置Fig.2 Lifting driving device

1.2 升降導(dǎo)向裝置

為實(shí)現(xiàn)鋼包頂升過程的穩(wěn)定性和克服震動產(chǎn)生的水平作用力，臺車上設(shè)置升降導(dǎo)向裝置。如圖3所示，升降導(dǎo)向裝置由導(dǎo)軌架和導(dǎo)輪座裝置組成。

圖3 升降導(dǎo)向裝置Fig.3 Lifting guiding device

導(dǎo)軌架由導(dǎo)軌和導(dǎo)軌連接架組成。導(dǎo)軌軌面為W型，通過螺栓聯(lián)接安裝在兩端的導(dǎo)軌基礎(chǔ)面上，軌道部分設(shè)置在托架下方，兩端的導(dǎo)軌基礎(chǔ)面通過中間的連接橫梁連在一起，并與托架組成剛性框架，提高了托架的整體剛性和穩(wěn)定性。

導(dǎo)輪座裝置有四個，分別對應(yīng)四個導(dǎo)軌的導(dǎo)向面，呈45°交叉布置。導(dǎo)向座裝置由上下兩層導(dǎo)輪裝置組成，導(dǎo)輪為偏心結(jié)構(gòu)，在安裝時，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整導(dǎo)輪與導(dǎo)軌面之間的間隙大小。

1.3 主動車輪組

對于大載重的鋼包頂升臺車，為保證其走行平穩(wěn)，將其走行傳動裝置設(shè)計成集中驅(qū)動形式，即電動機(jī)、減速機(jī)、制動器、編碼器、測速發(fā)電機(jī)(信號發(fā)生器)通過聯(lián)軸器形成驅(qū)動組件，再通過聯(lián)軸器與兩邊的主動車輪組輸入軸聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)走行驅(qū)動。

大載重臺車的主動車輪組采用平衡梁結(jié)構(gòu)開式齒輪傳動形式。用平衡梁的結(jié)構(gòu)形式可以均分輪壓，減小對軌道基礎(chǔ)的壓力，降低車輪、輪軸對材料的要求。由于采用平衡梁結(jié)構(gòu)形式，輪壓減小，主動車輪組只有一個車輪為驅(qū)動輪，驅(qū)動力明顯不足，容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。為此，采用開式齒輪傳動形式，讓主動車輪組的兩個車輪都成為驅(qū)動輪，從而提高驅(qū)動力。

如圖4所示，輸入軸與驅(qū)動組件聯(lián)接，其上的輸入齒輪將驅(qū)動力傳動給齒輪1，再通過中間齒輪，將驅(qū)動力傳給齒輪2，實(shí)現(xiàn)與齒輪1、齒輪2聯(lián)接的車輪轉(zhuǎn)動，形成雙驅(qū)動。

從動車輪組采用平衡梁結(jié)構(gòu)形式，無需開式齒輪傳動。

圖4 主動車輪組Fig.4 Active wheel set

2 設(shè)計計算

RH鋼包頂升臺車主體承載結(jié)構(gòu)為車架和托架。為保證在滿載鋼水時車架和托架的機(jī)械性能，以ANSYS為平臺，對車架和托架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，獲取其在滿載時結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及變形情況。

2.1 車架有限元分析

RH鋼包頂升臺車的車架為焊接結(jié)構(gòu)件，主體材料Q345-B。臺車在使用過程中，受力區(qū)域?yàn)槁菪Ы镯斣谲嚰苌系陌惭b面，如圖5所示中的陰影區(qū)域，臺車載重490 t，每處陰影區(qū)域承載1250 kN。車架下部由車輪組支承，車輪組在車架上的安裝面如圖6所示的陰影區(qū)域。

對車架進(jìn)行三維建模，網(wǎng)格劃分后，施加載荷和約束，其應(yīng)力應(yīng)變分布如圖7～10所示。

圖7 車架整體應(yīng)力分布云圖Fig.7 Nephogram of stress distribution on whole chassis

由計算結(jié)果可知，車架的最大應(yīng)力近70 MPa，大部分區(qū)域應(yīng)力在30 MPa以下，應(yīng)力較大的部位集中在加載區(qū)域和約束施加區(qū)域附近。車架的最大位移為0.38 mm，出現(xiàn)在受力面邊緣，車架最大應(yīng)力70 MPa，最大變形為0.38 mm。

鋼板的材料Q345-B:δs=295 MPa，

故RH升降臺車車架的安全系數(shù)為

2.2 托架有限元分析

RH鋼包頂升臺車的托架為焊接結(jié)構(gòu)件，主體材料Q345-B。臺車在使用過程中，受力區(qū)域?yàn)殇摪拮c托架的接觸面，如圖11所示中的陰影區(qū)域，托架載重450 t，每處陰影區(qū)域承載2250 kN。托架與螺旋千斤頂?shù)慕佑|面為支承面。

對車架進(jìn)行三維建模，網(wǎng)格劃分后，施加載荷和約束，計算的應(yīng)力應(yīng)變分布如圖12～15所示。

圖15 托架局部變形云圖Fig.15 Nephogram for local deformation of bracket

由計算結(jié)果可知，托架的最大應(yīng)力為116 MPa，發(fā)生在支座的局部位置，為應(yīng)力集中點(diǎn)，在荷載作用位置的跨中，最大應(yīng)力為57.7 MPa;最大合成位移為1.3 mm，位置處于荷載作用的跨中、板件的中部偏內(nèi)側(cè)。

鋼板的材料Q345-B δs=295 MPa;

故此，可得托架的安全系數(shù)為

通過以上計算，車架與托架的強(qiáng)度及剛度滿足設(shè)計要求。

3 使用效果

為日本住友金屬鹿島制鐵所設(shè)計的載重490 t RH鋼包頂升臺車已于國內(nèi)制造完畢，并完成了空負(fù)荷試運(yùn)行，結(jié)果顯示頂升同步性良好。該新型臺車大大簡化了原有RH處理的工藝設(shè)備，節(jié)省了大量的運(yùn)行維護(hù)工作，提高了鋼包頂升后的整體穩(wěn)定性，并降低了工程投資和人力投入。

［1］ 成大先．機(jī)械設(shè)計手冊［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［2］ 張質(zhì)文．起重機(jī)設(shè)計手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［3］ 馮福慶．LF爐鋼包運(yùn)輸臺車結(jié)構(gòu)有限元分析與研究［D］．鞍山:遼寧科技大學(xué)，2008．