冶金過跨設備階梯小車的設計與應用

杜曉敏

（酒鋼集團甘肅筑鼎建設有限責任公司，甘肅 嘉峪關 735100）

平板車在工程運輸中非常廣泛，作為一種非道路物流轉運設備[1]，主要應用于各大中型機械、冶金等工廠中[2]，具有結構簡單、運行靈活、安全可靠等諸多優點，是各車間跨與跨之間或跨間物件二次倒運的首選設備。

大型高爐風口設備是爐前重點設備之一，其主要包括風口大套、風口中套（以下簡稱風口和中套）和風口小套，設備材質為純銅。由于高爐生產時的高溫沖刷、爐內懸料的墜落，往往會導致風口和中套設備損壞，進而致使設備內部的水冷循環系統外露，在這種情況下高爐必須休風對中套設備進行更換[3]。酒鋼7#高爐風口中套等易損件暫存于標高10.25m出鐵場平臺，檢修更換時由頂部天車吊運至標高13.41m風口平臺。但風口平臺不在天車有效作業面的正下方，已超出了吊鉤的極限位置，每次檢修都是先用天車將中套吊起而后由現場工人將中套拽至風口平臺，橫向拉拽距離2.5m左右，違反了安全操作規程要求，存在著安全隱患。

筆者經過長期以來的摸索思考，結合現場實際情況設計出了一種階梯小車。階梯小車位于風口平臺上，將風口平臺延伸至天車有效作業區域的正下方。檢修更換中套時，將中套吊運至小車上，而后由小車運回至風口平臺即可，解決了目前風口設施檢修更換的困難。

1 7#高爐風口現狀探究

酒鋼7#高爐出鐵場平臺位于標高10.25m，而風口平臺位于標高13.41m，垂直高差3.16m。目前，每次檢修更換風口設備時，備品備件先由出鐵場平臺的頂部天車垂直吊起，而后由現場工人通過繩子拉拽至風口平臺。究其原因是，風口平臺不在天車有效作業面的正下方，已超出了吊鉤的極限位置。每次檢修橫向拉拽距離2.5m左右，這種斜拉歪拽的情況不僅違反了安全操作規程的要求而且存在著極高的安全隱患，被集團公司安全環保部多次責令整改。

風口和中套設備安裝在風口與大套之間，風口安裝在中套內部，各設備頭部結合面結合緊密。其設備布置如圖1所示[3]。

圖1 高爐風口設備布置圖

由于高爐生產時的高溫沖刷以及爐內懸料的墜落，往往會導致風口設備損壞，故需要對其進行檢修更換。而目前位于出鐵場平臺的備品備件又無更好的方式到達風口平臺，只能違章作業。因此，針對以上問題，提出設計研發一種新型平板車，將平板車置于風口平臺，檢修時先將備品備件吊運至平板車，而后由平板車將備品備件運回至風口平臺，徹底杜絕違章作業的問題。

2 階梯小車的設計

2.1 階梯小車的提出

經過上述分析可知，酒鋼7#高爐風口大套（中套）在生產過程中作為易損件需定期檢修更換，而現狀的實際情況是檢修天車無法將備品備件直接吊運至檢修平臺（風口平臺）。如何能夠設計一種轉運設備將天車吊起的備品備件二次倒運至風口平臺，成為解決此問題的關鍵。受煉鐵廠委托，筆者通過深入研究并結合現場實際設計了一種3t手推式階梯小車，使得該問題得以解決。階梯小車的現場布置，如圖2所示。

圖2 階梯小車布置圖

階梯小車的兩只輪子位于標高13.80m平面，兩只輪子位于標高13.41m平臺（風口平臺），因此得名“階梯小車”。

2.2 階梯小車的設計思路

平板車的設計通常分為以下幾個部分：行走部件（車輪）、承載貨臺（車架部分）、牽引部分（拖柄）等[4]，受現有平板車的啟發，本次設計階梯小車的設計思路如圖3所示，主要包括車架、車輪、車軸和拖柄等等幾部分組成，其技術參數見表1。

圖3 3t手推階梯小車

表1 3噸手推式階梯小車技術參數

（1）車架。設計中，階梯小車承載貨臺（車架）采用型鋼框架梁式結構，車輪采用滾動軸承式結構，車軸采用45#優質碳素結構鋼制作。車架設計的核心是車架主梁的設計，主梁設計必須滿足公式①的正應力強度條件要求：Wz≥。

式中：Wz-設計選用材料的抗彎截面系數；Mmax-承載貨臺貨物重量及自重對主梁所形成的均攤最大彎矩（Mmax=1/8qL2，其中：q-階梯小車軸距間單位距離上的載重量，N/m；L-階梯小車的軸距，m）；σ-主梁材料的許用彎曲應力，MPa；ψ-0.6，參考《機械設計手冊》取得[5]。

根據公式①計算得到Wz再從機械設計手冊中選取具體的型鋼型號，經計算本次設計采用16a槽鋼作階梯車架主梁，16#工字鋼作為次梁。主要型材材質為Q235-A，車架主要由主梁、次梁和頂面鋼板等組成，整體采用焊接工藝進行加工制作。

（2）車輪。車輪作為階梯小車的行走部件，與地面軌道直接接觸易磨損，需具備一定的抗疲勞強度。其踏面抗疲勞強度須滿足②式計算。車輪踏面疲勞強度（線接觸）計算公式如下：

式中：Pc-車輪踏面疲勞計算荷載，N；K-與材料有關的許用線或點接觸應力常數，MPa；D-車輪直徑，mm；L-車輪與軌道有效接觸長度，mm；C1-轉速系數，按機械設計手冊選取；C2-工作級別系數，按機械設計手冊選取。

經計算，采用直徑Φ300mm的車輪，材質為鑄鋼ZG270-500（GB/T11352-1989），可以滿足抗疲勞強度要求。

（3）車軸。車軸作為傳力構件，將車架承受的荷載分配至車輪，然后由車輪傳至地面。車軸的設計主要是定出軸的合理外形和軸各段的直徑、長度等構件。軸的結構取決于軸的承載性質、大小、方向以及傳動布置方案。根據本次階梯小車的布置情況，按扭轉強度及剛度計算軸徑如公式③。

式 中：d-軸 直 徑，mm。T-軸 所 傳 遞 的 轉 矩，N·m；；P-軸所傳遞的功率，kW；N-軸的工作轉速，r/min；ζ-許用扭轉切應力，MPa。

經計算，并考慮一定的安全系數，設計的車軸直徑為Φ80mm，材質為45#鋼，可以滿足強度要求。

（4）拖柄。拖柄作為本次設計階梯小車的傳動裝置，采用便于抓握的安全欄桿焊接于階梯小車端部，詳見圖3、序號6所示。由于高爐風口大套（中套）檢修頻次較低，本階梯小車使用并不頻繁，因此設計采取人工推/拉的方式作為小車的運行動力。人力只需克服車輪與軌道的摩擦力即可使小車運行，根據摩擦力計算公式④，計算推/拉力如下：

式中：F-驅動階梯小車所需的推力/拉力，N；M-車輪與鋼軌摩擦系數，設計取值0.05；M-車輪承受的荷載，kg（單個風口大套/中套的重量約2000kg）；G-重力加速度，9.8N/kg。

經計算，人工推力/拉力只需約30kg便可完成倒運作業。

在依次完成各零部件的詳細設計后，將各零部件集成、裝配即可完成3噸手推式階梯小車的設計。其裝配簡圖見圖4。

圖4 階梯小車裝配圖

2.3 用途及適用范圍

本次設計的3t手推式階梯小車適用于酒鋼7#高爐出鐵場平臺，作為高爐風口大套（中套）的跨間二次倒運設備。該車的結構型式也適用于車間/廠房跨與跨之間標高不一、存在高差的情況，只需根據實際高差調整車架支腿（如圖3序號5所示）高度即可。

3 階梯小車的應用

高爐風口大套（中套）的更換吊裝，一直以來是費力費時的工序，也是困擾7#高爐風口大套（中套）檢修亟待解決的問題。受煉鐵廠委托，筆者多次深入現場了解現狀的具體問題，并結合7#高爐風口平臺及出鐵場平臺的實際狀況，創造性的設計了一種3t手推式階梯小車用于解決此問題。

目前，階梯小車已按設計圖紙制作完成并投入使用。下面結合具體現場實施方式對本次設計的3t手推式階梯小車的使用和運輸做進一步的說明。根據酒鋼集團公司安全環保部的要求，天車作為特種設備在起吊重物時須垂直吊起，在其有效作業面（吊鉤極限位置所形成的區域）內完成吊裝作業，嚴禁將重物斜拉歪拽出有效作業面。本次通過將7#高爐風口平臺局部加寬2.5m×2.5m，加寬的平臺標高為13.800，風口平臺的標高為13.410，兩者高差39cm。階梯小車一組車輪位于加寬后的平臺，另一組車輪位于風口平臺（如圖2所示），檢修更換風口大套（中套）時，首先利用出鐵場平臺頂部天車將新的風口大套（中套）吊運至3t手推式階梯小車，而后由階梯小車運至風口平臺然后進行檢修更換；更換安裝完成后破損的風口大套（中套）再通過階梯小車運至天車有效作業區域，然后由天車吊運至檢修區域進行維修。從現場使用情況來看，本次設計的手推式階梯小車輕便靈活，不僅解決了現場存在的實際問題，而且節省了人力，提高了工作效率，為7#高爐風口設備檢修帶來了極大的便利。

4 結語

本文針對酒鋼7#高爐風口和中套等檢修更換的困難問題，而目前國內平板車四步行走輪均位于同一平面無法滿足現場使用的要求，設計了一種3t手推式階梯小車使得該問題得以解決。在存在類似問題的高爐風口設備檢修中可以推廣應用。