鋼包運輸車的結構與設計

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)是冶金行業應用最廣泛的設備之一，設計鋼包車時應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，鋼包車的設計必須有很高的可靠性;其二是使用的經濟性。濟經性的評價主要以鋼包車的設備購置費和所期望的壽命為依據。鋼包車的經濟性與所選用的設計方案緊密相關，減少鋼包車的自重，可以減少設備購置費的投入;鋼包車一般采用電機和減速機驅動，設計合理的驅動系統，減少能源消耗即減少鋼包車的驅動功率，可以減少后期的生產費用。可見，要提高鋼包車的經濟性，必須優化其結構和驅動系統，方能達到預期的經濟性。

本文依據以上兩點的要求，從鋼包車的傳動裝置以及車架結構入手，詳細討論鋼包車的結構與設計。

1 傳動裝置設計

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計合理、經濟、可靠的傳動裝置的關鍵。

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為驅動減速器的速比;n為電機的轉速，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，一般選擇25～30 m/min。由于運輸的是1600℃的鋼水，重量最大達600 t，因慣性的存在，過高的速度會對設備以及人員造成潛在的危險。

1．2 鋼包車驅動功率計算

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

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

式中，M1為鋼包車平穩運行時的動力矩，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)，m;對于鋪設良好的光滑軌道，f=0．0005 m;μz為滾動軸承的摩擦系數，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。

在公式(2)中，需要說明的是修正系數的選用。在現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這個概念，由于對軌道和車輪的摩擦沒有準確的數學模型，軌道與鋼包車有誤差等，工程設計中往往對理論計算的數值要進行修正，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構時，引入修正系數對鋼包車的阻力矩進行修正。

現有鋼包車的車輪結構一般采用雙輪緣，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生輪緣應力，如圖2所示。理論上輪緣與軌道之間的接觸面會出現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力，原因是應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，所以此應力值的大小在理論和實際上都很難計算，在實際應用中由修正系數λ1的大小來估算這些無法準確計算的摩擦力，修正系數的取值范圍大致在1．3～1．5之間，仍需在工業應用中進一步驗證。

鋼包車起動時不僅需要克服在平穩運行時的阻力，還需要克服慣性力，鋼包車在時間t內，速度從零加速到vmax，就會產生平移的慣性力，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量，kg;t為起動時間，s。

同時對于電機、聯軸器、減速器等轉動件，折合到電機軸的轉動慣量JD為

式中，JD為折合到電機軸上的轉動慣量，kg·m2;J1，2，3…為各 軸的 轉 動 慣 量，角 標 1，2，3……表示第一級轉動軸(包括電機軸)，第二級轉動軸，第三級轉動軸，……;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，低速級的轉動慣量折合到電機軸的數量很小，在實際工程計算中，折合到電機軸上的轉動慣量可以采用下面的近似公式

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

則鋼包車起動時，克服轉動慣量所需的力矩為

式中，Mε為電機克服轉動慣量所需的力矩，N·m。

根據以上計算，鋼包車起動時電機所需轉矩為

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為驅動效率。

在實際應用中，鋼包車的驅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動部件的附加力，使所需的驅動力增加;

(2)軌道的安裝誤差。軌道的水平度和垂直度，以及軌道基礎的剛性是影響鋼包車驅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，鋼包車驅動功率的理論計算值偏小，最終根據工程應用的特點對計算的理論功率進行修正。

2 傳動結構設計

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

圖3是典型的單側獨立傳動結構，這種結構的應用比較廣泛，可安裝于鋼包車的前部或后部的兩側車輪軸上;由于采用兩臺不同的電機減速機獨立驅動兩側車輪，車輪的同步性需要調試;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動，鋼包車兩側車輪的驅動力在理論上相等，鋼包車的運行是平穩可靠的。但是當其中一臺電機或減速機出現故障時，只能用剩余的一臺電機和減速機驅動鋼包車，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，鋼包車平穩運行時，根據力的平移定理，作用在鋼包車中心O點的除驅動力F，還有驅動力相對于O點所產生的力偶矩M，如圖4b所示。由于鋼包車一般為對稱結構設計，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點轉動的趨勢，最終的結果是使部分車輪輪緣與軌道的摩擦力大大增加，所需的驅動力也大大增加，而此時只有一臺電機單車輪驅動，其負荷大大增加，增加了其損壞的可能性。

如圖3所示，傳動結構在一臺電機或減速機故障時，用剩余一臺電機和減速機驅動時所產生的力偶矩M是十分有害的，為了避免采用單臺電機減速器驅動時出現附加的力偶矩M，可以采用圖5所示的四輪驅動結構，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動前后兩側的一組車輪。這樣在單臺電機或減速機出現故障時，剩余的一臺電機和減速機仍同時驅動一組車輪，其驅動力平移至鋼包車中心O時無附加的力偶矩M(兩側的驅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)，所以運行的平穩性與正常工作相同，在故障狀態下可以較長時間慢速運行，保證整個煉鋼工藝的連續性。

圖3 鋼包車單側獨立傳動結構Fig．3 Independent driving mechanism on one side of ladle transfer car

(1)車架結構設計。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。車架根據其結構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，其結構如圖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構，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，以便在現場順利安裝。

圖6 分體式車架結構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的焊接結構如圖7所示。需要注意的是，各梁之間應采用錯位焊接方式，即各梁上各鋼板的焊接位置不在同一平面內，可減少焊縫的應力集中，加強車架整體結構的強度和剛度。

圖7 整體式車架結構Fig．7 Structure of integral carframe

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

車架梁的結構設計，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，車架承載梁的結構應為變截面梁，但為了制造方便，一般采用階梯梁結構。

(2)鋼包車輪系設計。鋼包車車輪的設計應滿足鋼包車的運行特點:即較高的輪壓，較低的速度。車輪的設計與軌道有關。在冶金行業中，鋼包車所采用的軌道為起重機軌道。如圖1所示，車輪結構可分為雙輪緣、單輪緣和無輪緣;在冶金行業中，由于鋼包車的載重量很大，一般采用雙輪緣結構，車輪直徑從250～1200 mm的范圍內，輪緣高度從15～25 mm，輪緣傾斜角β選擇在80°～82°之間;合理的輪緣結構，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，固定車輪組應用于四輪支承的鋼包車，浮動車輪組應用于四輪以上支承的鋼包車，主要是八輪支承結構。在設計中，運輸的鋼包在150 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，是應用最成熟廣泛的結構，每個車輪的結構如圖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構，這樣可以在不改變車輪的輪壓的條件下，減小車輪直徑;運輸的鋼包在250 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構，其結構布置如圖9所示，每兩個車輪相對固定安裝在支架上，形成一個車輪組結構，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一定的角度，每個車輪的支承結構與固定車輪組中的單個車輪的支承結構相同，即可采用如圖8所示的支承結構。鋼包車在運行時，每個車輪組根據軌道高度的微變化，在重力的作用下，可自動調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，鋼包車的經濟性大打折扣，影響鋼包車的運轉的平穩性。

車輪軸的支承軸承優先選用調心滾子軸承，內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，軸承在低速下發熱量很小，最有效的潤滑方式是脂潤滑，定期給軸承座內注入適量潤滑脂，即可滿足車輪支承軸承的潤滑需要。

(3)鋼包車的隔熱保護。由于鋼包車運輸的是1500℃的鋼水，如果產生溢鋼或漏鋼，會對車架及傳動裝置造成嚴重破壞，所以在設計中應考慮鋼包車的隔熱。對車架來說，主要是砌耐火磚及漏鋼溢鋼的導流;而對于傳動裝置，由于有電纜、潤滑油等危險性的特質存在，必須做嚴格的隔熱保護。

傳動裝置的隔熱應從兩個方面進行，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的設計要求，才能可靠保證傳動裝置的安全性。

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

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

3 結束語

鋼包車在冶金生產中的應用特別廣泛，其重要性毋庸質疑。為了設計合理經濟的鋼包車，必須對其應用的環境條件，所要達到的預期值進行分析，對所需電機功率及轉速，減速器的速比，傳動裝置的布置型式，以及車架結構進行詳細的設計，同時對其產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、經濟的工作。

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