查勇

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019）

副槍可以在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中不倒?fàn)t、不停吹的情況下，實(shí)現(xiàn)確定爐內(nèi)鋼水的狀態(tài)，為穩(wěn)定的冶煉優(yōu)質(zhì)鋼種提供了條件[1]。副槍升降小車作為承載槍體的設(shè)備，沿副槍軌道上下運(yùn)動(dòng)，和氧槍升降小車一樣，需具備防墜功能，一旦發(fā)生吊掛鋼絲繩斷裂，升降小車防墜裝置必須及時(shí)制動(dòng)，防止墜槍，造成槍體破裂導(dǎo)致冷卻水進(jìn)入爐內(nèi)引起爆炸，所以副槍升降小車防墜裝置的設(shè)計(jì)及工作功能和穩(wěn)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(dòng)小車升降運(yùn)動(dòng)。圖1所示D點(diǎn)為鋼絲繩吊掛處，A點(diǎn)為杠桿支撐點(diǎn)，杠桿可以圍繞A點(diǎn)擺動(dòng)，同時(shí)整個(gè)升降小車自身的重力及負(fù)載也是通過(guò)A點(diǎn)傳遞給鋼絲繩，C點(diǎn)連接彈簧導(dǎo)向套，利用連桿分別連接杠桿的B點(diǎn)及制動(dòng)塊的E點(diǎn)（見圖2），制動(dòng)塊成斜楔狀，在軌道和制動(dòng)導(dǎo)向塊之間上下移動(dòng)。

圖1 防墜裝置杠桿機(jī)構(gòu)

升降小車在正常工作狀態(tài)下，是鋼絲繩吊起升降小車，即D點(diǎn)往上運(yùn)動(dòng)，C點(diǎn)和B點(diǎn)繞A點(diǎn)擺動(dòng)向下，彈簧受壓，同時(shí)制動(dòng)塊沿導(dǎo)向塊角度向下遠(yuǎn)離軌道。

圖2 防墜裝置制動(dòng)機(jī)構(gòu)

當(dāng)發(fā)生鋼絲繩斷裂時(shí)，在彈簧的反作用力下，C點(diǎn)瞬間向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)B點(diǎn)將制動(dòng)塊沿導(dǎo)向角度上移，將制動(dòng)塊與軌道接觸產(chǎn)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(dòng)，從而達(dá)到防墜目的。在整個(gè)防墜過(guò)程中，彈簧起重要作用，要求反應(yīng)迅速，瞬間將制動(dòng)塊推入制動(dòng)范圍。

2 彈簧分析與計(jì)算

通過(guò)對(duì)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(shè)計(jì)與計(jì)算，我們將結(jié)合某工程轉(zhuǎn)爐副槍來(lái)分析。首先對(duì)圖1杠桿進(jìn)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(dòng)塊重力G3以及彈簧連接件重力G2。

經(jīng)計(jì)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(diǎn)有向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但若考慮摩擦等因素，這個(gè)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不足以瞬間將制動(dòng)塊推入制動(dòng)范圍，若C點(diǎn)有壓縮彈簧的反作用力幫助，制動(dòng)效果明顯改變。若鋼絲繩沒有斷裂，C點(diǎn)有壓縮彈簧，整個(gè)車身及負(fù)載的重力將轉(zhuǎn)化為鋼絲繩張力F1，通過(guò)杠桿原理，彈簧受壓，C點(diǎn)承受彈簧彈力F2。

經(jīng)計(jì)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(hù)彈簧，彈簧內(nèi)部設(shè)有活動(dòng)導(dǎo)向套，導(dǎo)向套通過(guò)硬接觸阻止C點(diǎn)繼續(xù)下壓。如圖1所示，機(jī)構(gòu)中若杠桿處于水平位置為正常工作狀態(tài)，此時(shí)彈簧受壓時(shí)高度為118 mm，彈簧與軌道間距2 mm，導(dǎo)向套接觸，因此F2受力分別由彈簧和導(dǎo)向套承受。

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，可初選彈簧中徑D=Φ 60 mm，彈簧絲直徑d=Φ 8 mm，假設(shè)彈簧正常工作時(shí)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(shù)）

取整后，n=12（圈）。

根據(jù)圖2，若制動(dòng)塊與軌道貼緊，需向左移動(dòng)2 mm，相應(yīng)B點(diǎn)垂直移動(dòng)距離為5.5 mm，而相應(yīng)彈簧C點(diǎn)垂直移動(dòng)距離則為12 mm。故彈簧自由長(zhǎng)度至少大于130 mm，為了增大彈簧的反作用力，讓制動(dòng)塊貼緊軌道后也有足夠預(yù)壓力，同時(shí)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(shí)高度

Hb=（n+2）×d=112 mm；

最小工作載荷時(shí)壓縮長(zhǎng)度

H1=150-130=20 mm；

最大工作載荷時(shí)壓縮長(zhǎng)度

Hn=150-118=32 mm。

根據(jù)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?yún)?shù)得

彈簧最大工作載荷時(shí)受壓Pn=493 N；

彈簧最小工作載荷時(shí)受壓P1=308 N；

彈簧壓并時(shí)工作載荷Pb =585.5 N。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，若鋼絲繩斷裂，彈簧瞬時(shí)反作用力達(dá)到493 N，將制動(dòng)塊快速提起，貼緊軌道后對(duì)制動(dòng)塊還有308 N的預(yù)壓力，滿足制動(dòng)要求。同時(shí)Pn遠(yuǎn)小于F2，不會(huì)造成杠桿擺動(dòng)，彈簧在導(dǎo)向套的保護(hù)下，也沒有壓并，故能保持彈簧自身的良好性能。

3 彈簧驗(yàn)算

彈簧初選滿足要求，但還需檢驗(yàn)彈簧的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，因彈簧高徑比b ＜2.6，故穩(wěn)定性不必檢驗(yàn)，只需進(jìn)行強(qiáng)度檢驗(yàn)。

根據(jù)安全系數(shù)

及公式

式中，

τmax為最大工作載荷所產(chǎn)生的最大切應(yīng)力；

τmin為最小工作載荷所產(chǎn)生的最小切應(yīng)力。

同時(shí)，

SP取值范圍1.8～2.2,

τ0等于0.35σb；σb=1 170 MPa。

代入?yún)?shù)得

因此，彈簧設(shè)計(jì)合格，實(shí)際彈簧工作圖如圖4。

圖4 實(shí)際彈簧工作圖

4 結(jié)束語(yǔ)

防墜裝置的可靠性及穩(wěn)定性，跟本身結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，但彈簧的作用非同小可，彈簧性能設(shè)計(jì)過(guò)大，容易造成升降小車下降瞬時(shí)失重的情況下制動(dòng)或杠桿擺動(dòng)，影響正常使用，但如果彈簧性能太小，也會(huì)造成制動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)或制動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.