副槍升降小車防墜裝置中彈簧的設計與計算

查勇

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇 南京 210019）

副槍可以在轉爐煉鋼過程中不倒爐、不停吹的情況下，實現確定爐內鋼水的狀態，為穩定的冶煉優質鋼種提供了條件[1]。副槍升降小車作為承載槍體的設備，沿副槍軌道上下運動，和氧槍升降小車一樣，需具備防墜功能，一旦發生吊掛鋼絲繩斷裂，升降小車防墜裝置必須及時制動，防止墜槍，造成槍體破裂導致冷卻水進入爐內引起爆炸，所以副槍升降小車防墜裝置的設計及工作功能和穩定性，顯得很重要。

1 工作原理

副槍槍體安裝在升降小車上，由鋼絲繩吊掛升降小車，帶動小車升降運動。圖1所示D點為鋼絲繩吊掛處，A點為杠桿支撐點，杠桿可以圍繞A點擺動，同時整個升降小車自身的重力及負載也是通過A點傳遞給鋼絲繩，C點連接彈簧導向套，利用連桿分別連接杠桿的B點及制動塊的E點（見圖2），制動塊成斜楔狀，在軌道和制動導向塊之間上下移動。

圖1 防墜裝置杠桿機構

升降小車在正常工作狀態下，是鋼絲繩吊起升降小車，即D點往上運動，C點和B點繞A點擺動向下，彈簧受壓，同時制動塊沿導向塊角度向下遠離軌道。

圖2 防墜裝置制動機構

當發生鋼絲繩斷裂時，在彈簧的反作用力下，C點瞬間向上運動，帶動B點將制動塊沿導向角度上移，將制動塊與軌道接觸產生摩擦力，在自身重力作用下，摩擦力不斷增大，將升降小車制動，從而達到防墜目的。在整個防墜過程中，彈簧起重要作用，要求反應迅速，瞬間將制動塊推入制動范圍。

2 彈簧分析與計算

通過對防墜裝置工作原理的分析可知，彈簧作用很大。但彈簧如何設計與計算，我們將結合某工程轉爐副槍來分析。首先對圖1杠桿進行受力分析（見圖3），在沒有安裝彈簧的情況下，若鋼絲繩斷裂，則杠桿兩端僅受重力G1，制動塊重力G3以及彈簧連接件重力G2。

經計算，

G1≈165 N，G2+G3≈80 N，則

G1＞G2+G3

圖3 防墜裝置杠桿受力分析

從自身重心分析看，D點有向下運動趨勢，但若考慮摩擦等因素，這個運動趨勢不足以瞬間將制動塊推入制動范圍，若C點有壓縮彈簧的反作用力幫助，制動效果明顯改變。若鋼絲繩沒有斷裂，C點有壓縮彈簧，整個車身及負載的重力將轉化為鋼絲繩張力F1，通過杠桿原理，彈簧受壓，C點承受彈簧彈力F2。

經計算

F1=7 000 N，則

F2=-（160/145）×F1=-7 724 N。

顯然彈簧受壓力很大，為了保護彈簧，彈簧內部設有活動導向套，導向套通過硬接觸阻止C點繼續下壓。如圖1所示，機構中若杠桿處于水平位置為正常工作狀態，此時彈簧受壓時高度為118 mm，彈簧與軌道間距2 mm，導向套接觸，因此F2受力分別由彈簧和導向套承受。

根據結構要求，可初選彈簧中徑D=Φ 60 mm，彈簧絲直徑d=Φ 8 mm，假設彈簧正常工作時高度為118 mm，則彈簧的壓并高度Hb＜118 mm，選壓縮彈簧類型為端部并緊磨平，支承圈為1.25圈，則

Hb=（n+2）d ＜118（n為彈簧圈數）

取整后，n=12（圈）。

根據圖2，若制動塊與軌道貼緊，需向左移動2 mm，相應B點垂直移動距離為5.5 mm，而相應彈簧C點垂直移動距離則為12 mm。故彈簧自由長度至少大于130 mm，為了增大彈簧的反作用力，讓制動塊貼緊軌道后也有足夠預壓力，同時又滿足高徑比b·（H0/D）＜2.6，得

H0≤156 mm，圓整取值150 mm，

則彈簧壓并時高度

Hb=（n+2）×d=112 mm；

最小工作載荷時壓縮長度

H1=150-130=20 mm；

最大工作載荷時壓縮長度

Hn=150-118=32 mm。

根據公式

式中，

G為切變模量，取值78 GPa；

Fn為彈簧在壓力Pn 作用下的變形量。

代入參數得

彈簧最大工作載荷時受壓Pn=493 N；

彈簧最小工作載荷時受壓P1=308 N；

彈簧壓并時工作載荷Pb =585.5 N。

根據計算結果，若鋼絲繩斷裂，彈簧瞬時反作用力達到493 N，將制動塊快速提起，貼緊軌道后對制動塊還有308 N的預壓力，滿足制動要求。同時Pn遠小于F2，不會造成杠桿擺動，彈簧在導向套的保護下，也沒有壓并，故能保持彈簧自身的良好性能。

3 彈簧驗算

彈簧初選滿足要求，但還需檢驗彈簧的穩定性和強度，因彈簧高徑比b ＜2.6，故穩定性不必檢驗，只需進行強度檢驗。

根據安全系數

及公式

式中，

τmax為最大工作載荷所產生的最大切應力；

τmin為最小工作載荷所產生的最小切應力。

同時，

SP取值范圍1.8～2.2,

τ0等于0.35σb；σb=1 170 MPa。

代入參數得

因此，彈簧設計合格，實際彈簧工作圖如圖4。

圖4 實際彈簧工作圖

4 結束語

防墜裝置的可靠性及穩定性，跟本身結構有很大關系，但彈簧的作用非同小可，彈簧性能設計過大，容易造成升降小車下降瞬時失重的情況下制動或杠桿擺動，影響正常使用，但如果彈簧性能太小，也會造成制動時間延長或制動失敗，故彈簧的合理選取，防墜裝置工作的可靠性才能有保障。

[1]成大先.機械設計手冊[K].北京：化學工業出版社，2008.