任 彤，方杞清，陳亞文，雷雨田，張 鈺，喬進(jìn)鋒

(1．中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．蘇州寶聯(lián)重工有限公司，江蘇 蘇州 215152)

0 概述

鋼包運(yùn)輸車(以下簡(jiǎn)稱鋼包車)是冶金行業(yè)應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，設(shè)計(jì)鋼包車時(shí)應(yīng)最大限度滿足以下兩點(diǎn):其一是工作的可靠性。鋼包車在整個(gè)煉鋼工藝中地位舉足輕重。從轉(zhuǎn)爐、二次精煉、最終到達(dá)連鑄，各種工藝流程中鋼水在地面的運(yùn)輸都依靠鋼包車來(lái)完成，尤其在二次精煉設(shè)備中，必須依靠鋼包車才能完成整個(gè)精煉處理過(guò)程。因此，鋼包車的設(shè)計(jì)必須有很高的可靠性;其二是使用的經(jīng)濟(jì)性。濟(jì)經(jīng)性的評(píng)價(jià)主要以鋼包車的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)和所期望的壽命為依據(jù)。鋼包車的經(jīng)濟(jì)性與所選用的設(shè)計(jì)方案緊密相關(guān)，減少鋼包車的自重，可以減少設(shè)備購(gòu)置費(fèi)的投入;鋼包車一般采用電機(jī)和減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，減少能源消耗即減少鋼包車的驅(qū)動(dòng)功率，可以減少后期的生產(chǎn)費(fèi)用?？梢?，要提高鋼包車的經(jīng)濟(jì)性，必須優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，方能達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)性。

本文依據(jù)以上兩點(diǎn)的要求，從鋼包車的傳動(dòng)裝置以及車架結(jié)構(gòu)入手，詳細(xì)討論鋼包車的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)。

1 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

傳動(dòng)裝置是整個(gè)鋼包車的“心臟”，為鋼包車運(yùn)行提供動(dòng)力，選擇合適速比和功率的減速機(jī)和電機(jī)是設(shè)計(jì)合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的傳動(dòng)裝置的關(guān)鍵。

1．1 減速器速比確定

傳動(dòng)裝置的電機(jī)采用變頻控制，獲得鋼包車在起動(dòng)、勻速行駛、減速的不同狀態(tài)時(shí)的合適速度。鋼包車運(yùn)行時(shí)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(yùn)行速度為25～30 m/min，在計(jì)算減速器速比及功率時(shí)，必須以鋼包車的最大速度計(jì)算，其公式如下

式中，i為驅(qū)動(dòng)減速器的速比;n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;d為車輪直徑，m;vmax為鋼包車的最大運(yùn)行速度，m/min。

鋼包車的最大運(yùn)行速度與工藝要求有關(guān)，一般選擇25～30 m/min。由于運(yùn)輸?shù)氖?600℃的鋼水，重量最大達(dá)600 t，因慣性的存在，過(guò)高的速度會(huì)對(duì)設(shè)備以及人員造成潛在的危險(xiǎn)。

1．2 鋼包車驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

鋼包車正常工作時(shí)需頻繁起動(dòng)、停止，所以驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)以鋼包車起動(dòng)時(shí)的消耗功率作為驅(qū)動(dòng)鋼包車的額定功率。

鋼包車平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，阻力矩主要來(lái)自車輪與軌道、軸承的摩擦力，根據(jù)牛頓第三定律，這時(shí)電機(jī)所需力矩為

式中，M1為鋼包車平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力矩，N·m;N為鋼包車在滿載運(yùn)行時(shí)的重量，N;f為滾動(dòng)摩擦半徑(有時(shí)也稱為滾動(dòng)摩擦系數(shù))，m;對(duì)于鋪設(shè)良好的光滑軌道，f=0．0005 m;μz為滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)，μz=0．0015～0．003;dz為滾動(dòng)軸承的摩擦當(dāng)量半徑，m;λ1為修正系數(shù)。

在公式(2)中，需要說(shuō)明的是修正系數(shù)的選用。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)鋼包車滾動(dòng)摩擦力計(jì)算中，未明確提出修正系數(shù)這個(gè)概念，由于對(duì)軌道和車輪的摩擦沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，軌道與鋼包車有誤差等，工程設(shè)計(jì)中往往對(duì)理論計(jì)算的數(shù)值要進(jìn)行修正，目的是為了提高鋼包車運(yùn)行和停止的安全性。因此建議工程中計(jì)算鋼包車滾動(dòng)摩擦力矩或類似結(jié)構(gòu)時(shí)，引入修正系數(shù)對(duì)鋼包車的阻力矩進(jìn)行修正。

現(xiàn)有鋼包車的車輪結(jié)構(gòu)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(yùn)行，輪緣就會(huì)因軸向力和摩擦力而受載產(chǎn)生輪緣應(yīng)力，如圖2所示。理論上輪緣與軌道之間的接觸面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拉長(zhǎng)的接觸橢圓，用很小的軸向力就能計(jì)算出很高的接觸應(yīng)力，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)起重機(jī)車輪和軌道材料的屈服極限，而實(shí)際上不會(huì)達(dá)到這么高的應(yīng)力，原因是應(yīng)力只要達(dá)到屈服極限附近，增加很小時(shí)的塑性變形，可使接觸表面加大到原假設(shè)彈性體所計(jì)算面積的許多倍。由于輪緣與軌道的摩擦既有滾動(dòng)摩擦又有滑動(dòng)摩擦，所以此應(yīng)力值的大小在理論和實(shí)際上都很難計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中由修正系數(shù)λ1的大小來(lái)估算這些無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算的摩擦力，修正系數(shù)的取值范圍大致在1．3～1．5之間，仍需在工業(yè)應(yīng)用中進(jìn)一步驗(yàn)證。

鋼包車起動(dòng)時(shí)不僅需要克服在平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的阻力，還需要克服慣性力，鋼包車在時(shí)間t內(nèi)，速度從零加速到vmax，就會(huì)產(chǎn)生平移的慣性力，則電機(jī)克服平移慣性所需力矩為

式中，Ma為鋼包車起動(dòng)時(shí)的慣性矩，N·m;m為鋼包車運(yùn)輸車滿載時(shí)的總質(zhì)量，kg;t為起動(dòng)時(shí)間，s。

同時(shí)對(duì)于電機(jī)、聯(lián)軸器、減速器等轉(zhuǎn)動(dòng)件，折合到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JD為

式中，JD為折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;J1，2，3…為各 軸的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量，角 標(biāo) 1，2，3……表示第一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸(包括電機(jī)軸)，第二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，第三級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，……;i1，2，i2，3，i3，4為前后兩級(jí)傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)比。

在較大速比時(shí)，低速級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折合到電機(jī)軸的數(shù)量很小，在實(shí)際工程計(jì)算中，折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以采用下面的近似公式

式中，J1為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;JC為聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;JG為減速器輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;λ2為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折合系數(shù)，一般可近似為λ=1．05 ～1．1。

則鋼包車起動(dòng)時(shí)，克服轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所需的力矩為

式中，Mε為電機(jī)克服轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所需的力矩，N·m。

根據(jù)以上計(jì)算，鋼包車起動(dòng)時(shí)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為

式中，M∑為鋼包車起動(dòng)時(shí)電機(jī)所需的力矩和，N·m;

則鋼包車起動(dòng)時(shí)電機(jī)所需理論驅(qū)動(dòng)功率為

式中，PD為鋼包車起動(dòng)時(shí)電機(jī)所需的力矩和，kW;η為驅(qū)動(dòng)效率。

在實(shí)際應(yīng)用中，鋼包車的驅(qū)動(dòng)功率與理論計(jì)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(huì)引起鋼包車各相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的附加力，使所需的驅(qū)動(dòng)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(chǔ)的剛性是影響鋼包車驅(qū)動(dòng)功率大小的主要因素;

(3)各種效率的誤差。電機(jī)、減速機(jī)、軸承等的效率是基于試驗(yàn)而得到的，而在實(shí)際應(yīng)用中由于各種條件與試驗(yàn)條件不盡相同，使得實(shí)際效率與試驗(yàn)測(cè)定的效率不同。

由于以上的原因，鋼包車驅(qū)動(dòng)功率的理論計(jì)算值偏小，最終根據(jù)工程應(yīng)用的特點(diǎn)對(duì)計(jì)算的理論功率進(jìn)行修正。

2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在確定鋼包車驅(qū)動(dòng)所需電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速后，就要確定鋼包車傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)必須保證鋼包車工作的可靠性。在冶金行業(yè)中，鋼包車驅(qū)動(dòng)一般采用雙電機(jī)減速機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，在一臺(tái)電機(jī)或減速器出現(xiàn)故障時(shí)，短時(shí)間內(nèi)剩余的一臺(tái)電機(jī)減速器仍可以單獨(dú)將鋼包車慢速驅(qū)動(dòng)，保護(hù)整個(gè)煉鋼工藝的連續(xù)性。

圖3是典型的單側(cè)獨(dú)立傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比較廣泛，可安裝于鋼包車的前部或后部的兩側(cè)車輪軸上;由于采用兩臺(tái)不同的電機(jī)減速機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩側(cè)車輪，車輪的同步性需要調(diào)試;在兩臺(tái)電機(jī)及減速機(jī)均正常工作時(shí)，鋼包車通過(guò)兩根軌道上的兩個(gè)車輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，鋼包車兩側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)力在理論上相等，鋼包車的運(yùn)行是平穩(wěn)可靠的。但是當(dāng)其中一臺(tái)電機(jī)或減速機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，只能用剩余的一臺(tái)電機(jī)和減速機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼包車，鋼包車的水平面受力簡(jiǎn)圖如圖4a所示。f1～f4分別為每個(gè)車輪所受的阻力，鋼包車平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)力的平移定理，作用在鋼包車中心O點(diǎn)的除驅(qū)動(dòng)力F，還有驅(qū)動(dòng)力相對(duì)于O點(diǎn)所產(chǎn)生的力偶矩M，如圖4b所示。由于鋼包車一般為對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以所有車輪的滾動(dòng)摩擦力平移至鋼包車中心O點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，最終的結(jié)果是使部分車輪輪緣與軌道的摩擦力大大增加，所需的驅(qū)動(dòng)力也大大增加，而此時(shí)只有一臺(tái)電機(jī)單車輪驅(qū)動(dòng)，其負(fù)荷大大增加，增加了其損壞的可能性。

如圖3所示，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在一臺(tái)電機(jī)或減速機(jī)故障時(shí)，用剩余一臺(tái)電機(jī)和減速機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力偶矩M是十分有害的，為了避免采用單臺(tái)電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)附加的力偶矩M，可以采用圖5所示的四輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩臺(tái)電機(jī)和減速機(jī)分別位于鋼包車的前后，每臺(tái)電機(jī)和減速機(jī)分別驅(qū)動(dòng)前后兩側(cè)的一組車輪。這樣在單臺(tái)電機(jī)或減速機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，剩余的一臺(tái)電機(jī)和減速機(jī)仍同時(shí)驅(qū)動(dòng)一組車輪，其驅(qū)動(dòng)力平移至鋼包車中心O時(shí)無(wú)附加的力偶矩M(兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)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(yùn)行的平穩(wěn)性與正常工作相同，在故障狀態(tài)下可以較長(zhǎng)時(shí)間慢速運(yùn)行，保證整個(gè)煉鋼工藝的連續(xù)性。

圖3 鋼包車單側(cè)獨(dú)立傳動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig．3 Independent driving mechanism on one side of ladle transfer car

(1)車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鋼包車車架是承載、運(yùn)輸鋼包的支架，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。車架根據(jù)其結(jié)構(gòu)分為分體式和整體式，分體式車架為了運(yùn)輸方便可以拆解成幾個(gè)部件，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，之間采用高強(qiáng)度螺栓連接，為保證拆卸后重新安裝的相對(duì)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(biāo)記，以便在現(xiàn)場(chǎng)順利安裝。

圖6 分體式車架結(jié)構(gòu)Fig．6 Structure of split carframe

如果運(yùn)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(jié)構(gòu)如圖7所示。需要注意的是，各梁之間應(yīng)采用錯(cuò)位焊接方式，即各梁上各鋼板的焊接位置不在同一平面內(nèi)，可減少焊縫的應(yīng)力集中，加強(qiáng)車架整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

圖7 整體式車架結(jié)構(gòu)Fig．7 Structure of integral carframe

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

車架梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(qiáng)度理論，車架承載梁的結(jié)構(gòu)應(yīng)為變截面梁，但為了制造方便，一般采用階梯梁結(jié)構(gòu)。

(2)鋼包車輪系設(shè)計(jì)。鋼包車車輪的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足鋼包車的運(yùn)行特點(diǎn):即較高的輪壓，較低的速度。車輪的設(shè)計(jì)與軌道有關(guān)。在冶金行業(yè)中，鋼包車所采用的軌道為起重機(jī)軌道。如圖1所示，車輪結(jié)構(gòu)可分為雙輪緣、單輪緣和無(wú)輪緣;在冶金行業(yè)中，由于鋼包車的載重量很大，一般采用雙輪緣結(jié)構(gòu)，車輪直徑從250～1200 mm的范圍內(nèi)，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(jié)構(gòu)，可以大大減小運(yùn)行過(guò)程中的磨損。

鋼包車的車輪組分為固定車輪組和浮動(dòng)車輪組，固定車輪組應(yīng)用于四輪支承的鋼包車，浮動(dòng)車輪組應(yīng)用于四輪以上支承的鋼包車，主要是八輪支承結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，運(yùn)輸?shù)匿摪?50 t以下時(shí)，一般采用四輪承載，每個(gè)車輪通過(guò)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(yīng)用最成熟廣泛的結(jié)構(gòu)，每個(gè)車輪的結(jié)構(gòu)如圖8所示，車輪1由安裝在車輪軸2上對(duì)稱分布的兩個(gè)軸承3支承。

有時(shí)根據(jù)工藝要求，為了降低鋼包車的高度，可以采用多于四個(gè)車輪的結(jié)構(gòu)，這樣可以在不改變車輪的輪壓的條件下，減小車輪直徑;運(yùn)輸?shù)匿摪?50 t以上時(shí)，由于車輪的輪壓限制，必須采用八個(gè)車輪承載，每組車輪共兩個(gè)，為了使每組的兩個(gè)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(dòng)車輪組結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)布置如圖9所示，每?jī)蓚€(gè)車輪相對(duì)固定安裝在支架上，形成一個(gè)車輪組結(jié)構(gòu)，如圖8中的1所示。車輪組與車架之間通過(guò)鉸接軸連接，每個(gè)車輪組均可繞鉸接軸的軸線旋轉(zhuǎn)一定的角度，每個(gè)車輪的支承結(jié)構(gòu)與固定車輪組中的單個(gè)車輪的支承結(jié)構(gòu)相同，即可采用如圖8所示的支承結(jié)構(gòu)。鋼包車在運(yùn)行時(shí)，每個(gè)車輪組根據(jù)軌道高度的微變化，在重力的作用下，可自動(dòng)調(diào)整兩個(gè)車輪相對(duì)于鉸接軸的相對(duì)位置，始終使每個(gè)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(gè)車輪，使每個(gè)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(jīng)濟(jì)性大打折扣，影響鋼包車的運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。

車輪軸的支承軸承優(yōu)先選用調(diào)心滾子軸承，內(nèi)外圈與滾珠之間為球面配合，可補(bǔ)償加工和安裝以及軸的變形引起的同軸度誤差，同時(shí)降低軸變形對(duì)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(fā)熱量很小，最有效的潤(rùn)滑方式是脂潤(rùn)滑，定期給軸承座內(nèi)注入適量潤(rùn)滑脂，即可滿足車輪支承軸承的潤(rùn)滑需要。

(3)鋼包車的隔熱保護(hù)。由于鋼包車運(yùn)輸?shù)氖?500℃的鋼水，如果產(chǎn)生溢鋼或漏鋼，會(huì)對(duì)車架及傳動(dòng)裝置造成嚴(yán)重破壞，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮鋼包車的隔熱。對(duì)車架來(lái)說(shuō)，主要是砌耐火磚及漏鋼溢鋼的導(dǎo)流;而對(duì)于傳動(dòng)裝置，由于有電纜、潤(rùn)滑油等危險(xiǎn)性的特質(zhì)存在，必須做嚴(yán)格的隔熱保護(hù)。

傳動(dòng)裝置的隔熱應(yīng)從兩個(gè)方面進(jìn)行，即傳動(dòng)裝置的上方和下方的隔熱。傳動(dòng)裝置的上方主要是溢鋼、漏鋼淋澆和飛濺，所以在傳動(dòng)裝置的上方必須設(shè)置保護(hù)罩，并在周圍砌筑耐火磚。傳動(dòng)裝置的下方主要是泄漏在軌道周圍的鋼液對(duì)傳動(dòng)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(yīng)的設(shè)計(jì)要求，才能可靠保證傳動(dòng)裝置的安全性。

在傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)中，也有將其全部安裝在一個(gè)密閉的空間內(nèi)，這樣對(duì)保護(hù)傳動(dòng)裝置免受鋼液的破壞十分有利，但長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)不利于傳動(dòng)裝置的散熱，在條件允許的情況下，還是應(yīng)該保留通風(fēng)口，便于系統(tǒng)散熱。

在煉鋼過(guò)程中，發(fā)生溢鋼和漏鋼的可能性是必然存在的，鋼包車的隔熱，看來(lái)在整個(gè)設(shè)計(jì)中最微不足道的，但設(shè)計(jì)不完善，引起的后果可能是非常嚴(yán)重的，所以在鋼包車的設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠的重視。

3 結(jié)束語(yǔ)

鋼包車在冶金生產(chǎn)中的應(yīng)用特別廣泛，其重要性毋庸質(zhì)疑。為了設(shè)計(jì)合理經(jīng)濟(jì)的鋼包車，必須對(duì)其應(yīng)用的環(huán)境條件，所要達(dá)到的預(yù)期值進(jìn)行分析，對(duì)所需電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速，減速器的速比，傳動(dòng)裝置的布置型式，以及車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其產(chǎn)生故障所引起的各種后果的可能性有充分認(rèn)識(shí)，才能有效避免各種故障對(duì)鋼包車的破壞，保證鋼包車長(zhǎng)期、可靠、經(jīng)濟(jì)的工作。

［1］ M．舍費(fèi)爾，G．帕耶爾，F(xiàn)．庫(kù)爾茨．起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］．范祖堯等譯．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991．