一種平衡吊梁在鑄造起重機上的設計與應用

楊慶軍

（安陽鋼鐵集團有限責任公司，鄭州 450046）

0 引言

鋼渣是煉鋼過程中產生的固體廢物之一，是固體廢棄物中性能最好、利用價值最高的“垃圾”，采用合理的加工工藝，可以實現廢渣的綜合利用，不僅可以節省大量資源、能源，而且可以減少排渣占地和對環境的污染，取得良好的經濟效益和社會效益。

安鋼集團綜合利用開發公司（以下簡稱安鋼綜利公司）是安陽鋼鐵集團公司的分公司，主要承擔安鋼集團本部鋼鐵冶金生產廢渣的處理加工和循環利用等工作。該公司采用鋼渣熱燜技術，于2010年7月投資4000萬元，在3#跨建成投產了一條年生產能力90萬t的鋼渣熱燜生產線。

安鋼綜利公司受場地限制的因素影響，跨內生產工藝布局極不合理，3#跨不僅承擔了安鋼全部轉爐渣的處理，還承擔了全部精煉渣的處理工作。該跨為南北布置，跨內從南向北設四部起重設備，依次為100 t通用橋式起重機（編號：G31）、100 t鑄造起重機（編號：G32）、32 t電磁橋式起重機（編號：G33）、100 t鑄造起重機（編號：G34）。跨內地面由南向北依次設12座熱燜池，用來處理轉爐渣；熱燜池以北設有渣箱，采用堆燜工藝處理精煉渣；3#跨東側為南北走向的汽車運輸通道，熱燜池西側為火車運輸軌道。轉爐渣罐由火車運輸至跨內，再由G32鑄造吊起吊渣罐進行翻罐作業。精煉渣斗由平板車運輸至精煉渣處，再由G34鑄造吊起吊渣斗進行翻斗作業。

如遇轉爐煉鋼質量問題，產生鋼渣砣，渣砣無法直接入池，只能由G32鑄造吊翻倒在精煉渣區域，再由G31天車掛夾鉗，抓取鋼渣坨進行裝車。3#跨立面示意圖如圖1所示。

圖1 3#跨立面示意圖

安鋼綜利公司每天處理鋼渣坨約12個，且質量較大，最重達30 t。鑄造吊吊起渣罐，先將鋼渣坨傾到在北頭精煉渣區域的渣堆上，再采取措施用汽車拉往1#跨進行切割處理。由于北邊三部天車的阻擋，最南頭的G31天車不能運行至精煉渣區域上方直接夾取鋼渣坨，需先用挖掘機將鋼渣坨鉤到3#跨東側通道上，再用裝載機推至熱燜池與精煉渣箱之間地帶，G31天車可運行至此處上方，抓取鋼渣坨裝車。這一過程挖掘機、裝載機超負荷工作，設備損害大、油耗高。G31天車用夾鉗裝車過程中，需搶在鋼渣罐來罐間隙作業，所有天車都要停止作業向北運行，對生產節奏影響較大。

平衡吊梁[1]是一種起重機械上用于大型物件和結構件吊裝的吊具，被廣泛應用在運輸、冶金、礦山、鐵路救援、海洋工程、造船等各個領域。平衡吊梁是非標吊具，沒有統一的結構形式與尺寸，必須按國家有關的技術規范，根據不同應用環境進行設計。

本文將設計一種平衡吊梁，研究其結構形式[2]，校核其強度條件[3]，使鑄造吊的龍門板鉤可以吊掛夾鉗，實現G34鑄造吊抓取鋼渣坨進行裝車，從而避免天車的互相干擾，提高作業效率，同時也能避免挖掘機和裝載機參與作業，降低設備損耗。

1 設計參數及要求

把皮尺一端綁在G34鑄造吊的板鉤鉤頭，天車起升到最高處，測量鉤頭距離地面高度為10.5 m。夾鉗閉合后的垂直高度為7.96 m，現場所用平板車欄框高度為2 m，經計算可知，平衡吊梁的豎直尺寸應在1.63 m以內。如圖2所示。

圖2 吊梁允許最大豎直尺寸示意圖

由于地面距天車的空間限制，吊梁的設計需滿足一定的尺寸要求，方能實現鑄造吊的抓取作業，設計參數：（1）鋼渣坨最大質量30 t；（2）夾鉗自重約8.5 t，閉合時高度約為7960 mm，如圖3所示；（3）鑄造吊龍門板鉤尺寸如圖4所示；（4）鑄造吊龍門板鉤底部距地面最大高度約為10.5 m；（5）平板車高度為2 m。

圖3 40 t夾鉗

圖4 板鉤

設計要求：（1）吊梁額定載荷應大于鋼渣坨與夾鉗重量之和；（2）為保證渣坨能夠順利裝車，增加吊梁后，應確保渣坨距地面高度大于2 m。因此設計的吊梁耳軸中心距鉤頭底面高度應小于1630 mm。

2 提高平衡吊梁強度和剛度的措施

為了保證平衡吊梁正常工作，要求吊梁有足夠的強度和剛度[4]，在不擴大吊梁幾何尺寸的前提下，提高吊梁強度的措施如下。

（1）選用合理的橫截面：采用矩形或工字型的橫截面[5]。

（2）采用變截面：彎矩較大的部位采用大截面，彎矩較小的部位采用小截面[6]。

（3）在條件允許的情況下，適當減小平衡吊梁的跨度。

3 設計吊梁

經過討論和計算，平衡吊梁選用Q345B鋼板焊接，矩形橫截面設計，梁中間設置一個標準63 t鉤頭[7]，用于吊掛夾鉗。為最大限度減小吊梁豎直方向尺寸，將吊鉤尾部設置在吊梁內部，并且在吊梁兩端設置懸臂軸[8]，材料選用Q345B，便于板鉤吊掛，吊梁的耳軸距吊鉤底部高度為1176.5 mm，在允許的尺寸范圍內，如圖5所示。

圖5 平衡吊梁

4 對平衡吊梁進行強度校核

為驗證該平衡吊梁是否滿足強度條件，對平衡吊梁進行強度校核（平衡吊梁的設計參數見表1）。對平衡吊梁進行簡化，梁自身重量為均布載荷q[9]，梁兩端受門鉤的拉力，梁中間受吊物的重力。吊物重量包括吊鉤、夾鉗和渣砣的重量，梁的計算起重量乘以安全系數k=1.3[10]，畫出受力分析圖、剪力圖和彎矩圖。如圖6所示。

4.1 對吊梁的彎曲正應力校核

由彎矩圖（圖6）可知，梁的最大彎矩在C點，也就是吊鉤處[11]，C點的彎曲正應力為：

式中：

式（2）中各參數如表1所示。式（3）中各參數如圖7和表1所示。

圖7 梁橫截面示意圖

表1 平衡吊梁的設計參數

則有：

由計算可知梁的最大彎曲正應力小于許用應力。

4.2 對吊梁的彎曲切應力校核

由剪力圖（圖6）可知，梁的最大切應力發生在梁的兩端，也即兩個門鉤支持點的位置，此處為懸臂軸。最大切應力在橫向段內[12]為：

圖6 平衡吊梁的受力分析圖、剪力圖和彎矩圖

式中：

則：

由計算可知梁的最大彎曲切應力小于許用剪應力，符合強度條件。

4.3 對吊梁的懸臂軸彎曲切應力校核

懸臂軸在門鉤處受最大切應力（圖8），應校驗此處的彎曲切應力。

圖8 懸臂軸截面圖

經過計算，吊梁與懸臂軸彎曲切應力小于許用剪應力，符合強度條件。

5 結束語

該平衡吊梁摘掛方便，完全能夠滿足鑄造吊龍門板鉤掛取夾鉗，實現了G34鑄造吊夾取鋼渣坨的工藝要求。通過一段時間的觀察使用，相比G31天車夾取鋼渣坨的作業模式，該方案具有較大優勢：一是G34鑄造吊倒運鋼渣坨過程中，其他3部天車不需避讓，使作業更加靈活，提高了鋼渣處理效率；二是作業過程幾乎不會用到挖掘機、裝載機等工程機械，降低了工程機械的損壞，尤其降低了鏟斗、大小連接板、大小臂等備件的消耗，同時降低了油耗；三是加快了精煉渣外發效率，每天可節省倒運鋼渣坨約2 h。為今后冶金行業鑄造吊掛夾鉗等類似情況，提供了切實可行的實踐經驗。