冶金行業帶卷運輸用鋼卷小車傳動分析計算

王明龍，孟祥東

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶401122）

0 引言

本文所述鋼卷小車是用于冶金行業帶卷生產車間中立式帶卷的運輸，即上卷、卸卷或轉運鋼卷，是帶卷生產車間的重要輔助設備。作為帶卷生產線的開始或結束設備，該設備起到了至關重要的作用，其工作的正常與否直接影響了整個產線的產能。其中用于上卷的鋼卷小車負責將步進梁運輸機或鞍座上的原料鋼卷運輸到懸臂開卷機的卷筒或雙柱（或錐頭）開卷機的圓柱（或錐頭）上，并將鋼卷套在卷筒或雙柱（或錐頭）之間的中心位置，完成上卷工序。用于卸卷的鋼卷小車負責將鋼卷從卷取機卷筒上托出，然后運輸到固定鞍座或步進梁運輸機，完成卸卷工序。用于轉運鋼卷的小車負責在步進梁運輸機或固定鞍座之間運輸鋼卷[1-2]。

鋼卷小車的升降一般采用液壓缸驅動，動作平穩、結構簡單。鋼卷小車的平移采用電動機或液壓馬達驅動。鋼卷小車在兩條平行的鋼制軌道上運行，依靠車輪與鋼軌之間的摩擦力來驅動鋼卷小車運行。另外，如果小車加速度、減速度過大，就需要采用鏈輪鏈條傳動或齒輪齒條傳動以避免車輪打滑。在鋼卷小車傳動的設計過程中，要根據工況合理地選擇傳動結構，以避免車輪在軌道上打滑。本文主要分析以電動機驅動的鋼卷小車的傳動情況。

1 鋼卷小車傳動結構

鋼卷小車由小車本體、升降鞍座、驅動裝置、軌道、伸縮安全蓋板等部件組成，如圖1所示。其中小車本體為焊接鋼結構，至少配有4個車輪，若小車需要跨軌可采用6個或8個車輪。車輪上設計有輪緣，用于小車運行時的導向。升降鞍座裝在小車本體上，由液壓缸推動升降，且設有導衛裝置以保持升降鞍座直線升降。為了實現鋼卷小車的自動操作，為小車平移及升降設置有傳感器，實時監控平移及升降位置，進而對其進行閉環控制，如圖2所示。

圖1 鋼卷小車結構示意圖

圖2 鋼卷小車平移控制示意圖

鋼卷小車的平移運行機構屬于有軌支承運行，采用鋼制車輪支承在鋼制軌道上沿軌道滾動運行。其優點是支承能力大，運行阻力小，沖擊小。鋼卷小車的車輪通過傳動機構進行驅動，一般分為電動機傳動或液壓馬達傳動。該傳動機構的關鍵在于是否采用了防車輪打滑的同步機構，而同步機構的采用取決于車輪與軌道之間的摩擦力能否為鋼卷小車提供足夠的驅動力并保證鋼卷小車加減速時車輪不打滑。通常情況下，考慮到傳動機構的復雜程度，盡量不采用同步機構。下面著重對鋼卷小車的平移運動進行傳動分析計算。

2 鋼卷小車平移運動的傳動計算分析

鋼卷小車處于廠房內，在無風且水平狀態下運行，可以不考慮風阻對小車的影響。據此對鋼卷小車平移運動的傳動分情況進行分析如下。

2.1 鋼卷小車平穩運行時的傳動計算

鋼卷小車平穩運行，不考慮小車的加速，運行阻力包括車輪軸承的摩擦阻力和車輪踏面沿軌道的滾動阻力；另外，由于水平運行時偏斜總是不可避免的，因此還要考慮輪緣沿軌道側面的附加摩擦阻力[3]。3種摩擦阻力之和Ff的計算公式為

式中：G為運行質量的重力，N；D為車輪直徑，mm；d為車輪軸徑，mm；k為車輪沿軌道的滾動摩擦力臂，mm，通常k≈0.5 mm；μ為軸承的摩擦因數，滑動時μ=0.08，滾動時μ=0.015；c為偏斜運行的側向附加阻力系數，c=1.2～1.8。

以某一實際工程為例進行計算：車質量為7100 kg，鋼卷質量為28 000 kg，運行質量的重力G=343980 N；車輪直徑D=315 mm；車輪軸徑d=130 mm；取k=0.5 mm，μ=0.015（滾動軸承），c=1.5。求得3種摩擦阻力之和Ff=4832.1 N；作用到車輪上的3種摩擦阻力矩之和Mf=Ff·D/2=761.05 N·m。

該工程中鋼卷小車運行速度v=0.6 m/s，傳動電動機功率計算公式為

其中η為傳動系統效率，取η=0.9。計算得Pf=3.22 kW。

根據以上計算得知，若鋼卷小車平穩運行（即不考慮小車變速運行）需要電動機傳動功率為3.22 kW以上，與實際工程測得電動機傳動負荷值相符。實際上，鋼卷小車在鋼卷的運輸過程中總是在不斷地啟停及加速，因此在實際應用中要充分考慮小車啟停及加速時的電動機傳動能力。

2.2 鋼卷小車加速時的傳動計算

鋼卷小車的傳動一般只有一部分車輪由電動機通過減速機或齒輪馬達驅動，這部分車輪稱為主動輪。鋼卷小車的運行由主動輪與軌道之間的摩擦力驅動。工程設計時，為了簡化傳動機構，主動輪數量越少越好。如果主動輪數量過少，鋼卷小車起動時由于提供摩擦力驅動的車輪正壓力過小將產生車輪打滑現象，進而造成車輪磨損甚至難以啟動，但是主動輪增多又會增加機構的復雜程度及平移控制的難度，這是一個矛盾的關系，需要合理取舍。

鋼卷小車平移的驅動力是由電動機通過主動輪踏面與軌道間的黏著摩擦提供的。鋼卷小車加減速時，電動機的驅動力需要克服運行慣性力和運行靜摩擦力之和，而要保證鋼卷小車加速時車輪不打滑，車輪與軌道的黏著摩擦力需要不小于電動機的驅動力，即

式中：μ0為黏著系數，室內工作時取μ0=0.15；FN為主動輪的總輪壓，N；m為運行的總質量，kg，m=G/9.8；a為鋼卷小車加速度，m/s2，a≤μ0FN/m-（μd+2k）Gc/（mD）。

以2.1節中提到的實際工程為例：m=35100 kg；鋼卷小車共有4個車輪，其中有2個為主動輪，不考慮偏載時FN=G/2=171990 N。代入上式，求得a≤0.6 m/s2，即鋼卷小車的最大加速度為0.6 m/s2，一旦超過該值，車輪將打滑。

若其中僅有1個為主動輪，不考慮偏載FN=G/4=85995 N。代入上式，求得a≤0.23 m/s2。

若4個車輪均為主動輪，則FN=G=343980 N。代入上式，求得a≤1.33 m/s2。

該工程鋼卷小車運行速度v=0.6 m/s，按照中速與高速（常用的）工況取加減速時間為3 s，加速度為0.2 m/s2。該工程采用2個主動輪的傳動方式，能夠保證起動時車輪不打滑并完成正常起動。

在確保鋼卷小車起動時不出現打滑現象的前提下，電動機傳動功率計算公式為

計算得P=7.9 kW。在2.1節中已經得出鋼卷小車在平穩運動時需要電動機傳動功率為3.22 kW，即平穩運動時電動機負荷為41%，與實際工程測得傳動電動機負荷值相符。

所需加速速距離：

計算得S=0.9 m。

若取加減速時間為4 s，加速度為0.15 m/s2，計算得P=6.7 kW。平穩運動時電動機負荷為48%，與實際工程測得傳動電動機負荷值相符。計算得所需加速速距離S=1.2 m。

將以上的幾種情況匯總，如表1所示。

表1 小車在不同加速度下所需傳動電動機功率

通過對表1分析可知，在負載及運行速度一定的情況下，小車加速度越大，所需加速距離越小，傳動電動機功率越大。在設計過程中要根據小車的運行情況及使用要求合理選擇小車的加速度。

綜上，鋼卷小車的傳動設計首先通過小車加速度來確定主動輪數量，接著計算小車在加速時所需傳動電動機功率，據此選取電動機。

3 大加/減速度鋼卷小車防滑措施

多數工程中不會用到很大加/減速度或1個主動輪的工況，但在某些特殊情況下還是有此類情況的應用，在此情況下可以采用鏈輪鏈條輔助傳動（如圖3）或齒輪齒條輔助傳動（如圖4），這兩種傳動方式在工程中也有成熟應用。如果鋼卷小車行程較短，也可以采用液壓缸直接驅動的方式，如圖5所示。

圖3 鋼卷小車鏈輪鏈條輔助傳動結構示意圖

4 結語

圖5 液壓缸驅動鋼卷小車傳動結構示意圖

鋼卷小車傳動設計時，首先根據工況確定采用哪一種傳動方式，然后確定主動輪數量、加/減速度數值，最后根據相關參數計算所需傳動電動機功率，進而選定傳動電動機。若通常傳動方式無法滿足工況需要，可以考慮采用鏈輪鏈條輔助傳動或齒輪齒條輔助傳動，甚至可以考慮采用液壓缸直接驅動小車行走。在設計過程中，設計者可以根據工況靈活選擇傳動方式。