詹雪雄，施 漢，熊亞洲

(中冶南方武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430080)

送料卷揚(yáng)機(jī)卷筒強(qiáng)度計(jì)算及應(yīng)用分析*

詹雪雄，施 漢，熊亞洲

(中冶南方武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430080)

某鋼廠高爐擴(kuò)容改造，料車擴(kuò)容，送料卷揚(yáng)機(jī)功率隨之增加，卷筒裝置擬利舊。本著安全和可靠的原則，根據(jù)工況對卷筒裝置進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析，確定原卷揚(yáng)機(jī)的卷筒裝置強(qiáng)度不能滿足使用要求，避免了安全事故的發(fā)生。

卷揚(yáng)機(jī);卷筒裝置;強(qiáng)度;計(jì)算分析

1 引言

某鋼廠高爐爐容由450 m3擴(kuò)容到680 m3，料車有效容積由3.8 m3增加到5 m3，卷揚(yáng)機(jī)功率由200 kW增加到250 kW。改造方案中要求卷揚(yáng)機(jī)中卷筒裝置利舊，電機(jī)、聯(lián)軸器、制動器、減速器等更新，本著安全和可靠的原則，需對卷筒強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。

2 卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

2.1 卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)

改造后料車卷揚(yáng)機(jī)采用單電機(jī)驅(qū)動，變頻調(diào)速。采用雙出軸減速器，在減速器高速軸裝有工作制動器，在低速軸兩軸端，一端裝有速度控制器，另一端裝聯(lián)軸器與卷筒軸聯(lián)接［1］。卷揚(yáng)機(jī)正常提升能力11 t。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 卷揚(yáng)機(jī)技術(shù)性能及系統(tǒng)參數(shù)

(1)卷揚(yáng)機(jī)性能:正常提升能力11 t。

(2)電動機(jī)功率:250 kW。

(3)料車:有效容積5 m3。

(4)空料車重量Qc:10 t。

(5)按混合礦計(jì)算，物料堆比重:1.8 t/m3。

(6)斜橋傾角:料坑段傾角α1=60°，斜橋直線段傾角α2=55°。

(7)卷筒參數(shù):鋼絲繩中心線直徑 D=1 850 mm，材質(zhì)HT250，重量7 t，雙槽左旋，繩槽直徑φ32.5 mm。

(8)鍵聯(lián)接參數(shù):卷筒軸與減速器聯(lián)接鍵，1件，A型平鍵，型號:45×25×260，材質(zhì)45鋼。卷筒軸與卷筒聯(lián)接鍵，1件，A型平鍵，型號:56×32×400，材質(zhì)45鋼。

圖1 料車卷揚(yáng)機(jī)

(9)卷筒軸參數(shù):材質(zhì)45鋼，軸輸入段(卷筒軸與減速器聯(lián)接段)直徑φ200 mm，與卷筒聯(lián)接段直徑φ260 mm。

(10)卷筒上出繩角度:按與水平方向成43.5°計(jì)算。

3 計(jì)算分析

根據(jù)改造后的卷揚(yáng)機(jī)作業(yè)工況條件，對卷筒、聯(lián)接鍵及卷筒軸分別進(jìn)行相關(guān)強(qiáng)度核算。

3.1 卷筒的強(qiáng)度核算

3.1.1 強(qiáng)度計(jì)算

卷筒寬度L=2 056 mm，卷筒直徑D=1 850 mm，因L＜3D，則按卷筒壁內(nèi)表面最大壓應(yīng)力計(jì)算其強(qiáng)度［2］。

計(jì)算公式:

式中:σ1為卷筒壁內(nèi)表面最大壓應(yīng)力，MPa;A為與卷筒層數(shù)有關(guān)的系數(shù);Smax為鋼絲繩最大拉力，N;δ為卷筒壁厚，mm;P為卷筒繩槽節(jié)距，mm;σyp許用壓應(yīng)力，MPa。

鋼:σyp=σs/1.5，σs為屈服強(qiáng)度;鑄鐵:σyp=σy/ 4.25，σy為抗壓強(qiáng)度。

(1)計(jì)算公式中的各項(xiàng)取值

該卷筒為單層，A=1;卷筒壁厚δ=60 mm;繩槽節(jié)距P=70 mm。

卷筒材質(zhì)為HT250，手冊中查得σy=180 MPa (鑄件)，σyp=42.4 MPa。

(2)鋼絲繩最大拉力按三種工況選取

①料車正常裝礦，料車總重Qc=10 t，礦料重Qk=9 t，坑底啟功加速度a1=0.25 m/s2，料坑斜度α1= 60°，計(jì)算鋼絲繩Smax:其中:Mk為電動機(jī)在料車卡輪時(shí)的轉(zhuǎn)矩N·m;λ為電動機(jī)的過載系數(shù)(查上海南洋電動機(jī)YTSZ355L－6，過載系數(shù)為3.5);Mn為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩N·m (查上海南洋電動機(jī) YTSZ355L－6，額定轉(zhuǎn)矩為2 387.5 N·m);i為機(jī)構(gòu)總傳動比，i=38;η為卷揚(yáng)機(jī)的機(jī)械效率，η=0.85;D為卷筒直徑，D=1 850 mm;

計(jì)算得:Smax=291.8(kN)

③料車過載裝礦，按滿斗容積6.67 m3計(jì)算，礦料重Qgk=12 t，料坑啟動加速度a1=0.25 m/s2。

算得:Smax=196(kN)

根據(jù)以上所得，進(jìn)行卷筒壓應(yīng)力計(jì)算，求得σ1值。卷筒壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 卷筒壓應(yīng)力計(jì)算表

3.1.2 穩(wěn)定性核算

卷筒直徑D=1 850 mm＞1 200 mm，應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。卷筒材質(zhì)為鑄鐵，應(yīng)按鑄鐵卷筒計(jì)算公式進(jìn)行。

式中:pw為失穩(wěn)時(shí)臨界壓力，MPa，pw=(25 000～32 500)×δ3/R3;p為卷筒壁單位壓力，MPa，p=2×Smax/ (D×P)，R=D/2。

根據(jù)以上公式，計(jì)算得到k值。卷筒穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 卷筒穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

3.2 聯(lián)接鍵的強(qiáng)度計(jì)算

考慮到卷揚(yáng)機(jī)工作有輕微沖擊，按此工況要求選取許用應(yīng)力值。

(1)考慮鍵或鍵槽工作面的擠壓或磨損［2］:

式中:T為轉(zhuǎn)矩，N·m;Dz為軸徑，mm;k為鍵與輪轂的接觸高度，平鍵k=h/2，h為鍵厚度;l為鍵的工作長度，對于A型鍵，l=L－b;b為鍵的寬度，mm;σpp為鍵聯(lián)接的許用擠壓應(yīng)力，MPa;τp為鍵聯(lián)接的許用剪應(yīng)力，MPa。

(3)轉(zhuǎn)矩T計(jì)算

①正常裝礦時(shí)傳遞轉(zhuǎn)矩:按在斜橋料坑段運(yùn)行時(shí)計(jì)算。

根據(jù)以上公式及數(shù)據(jù)，計(jì)算鍵1及鍵2的擠壓及剪切應(yīng)力值。結(jié)果見表3、表4所列。

表3 鍵1擠壓及剪切應(yīng)力計(jì)算表

表4 鍵2擠壓及剪切應(yīng)力計(jì)算表

3.3 卷筒軸的靜強(qiáng)度核算

(1)卷筒軸受力分析

重量和鋼絲繩作用力均按集中載荷計(jì)算，作用在卷筒裝置中心。卷筒裝置作用力作用于卷筒軸φ260軸徑處。不考慮鋼絲繩重量。卷筒上鋼絲繩角度按與水平方向成43.5°計(jì)算。卷筒軸的重量按1 t計(jì)算，作用于距離左右軸承座中心1 290 mm處。卷筒裝置受力狀況見圖2。

圖2 卷筒裝置受力簡圖

(2)載荷計(jì)算

取正常裝礦，在斜橋直線段上正常運(yùn)行時(shí)工況進(jìn)行計(jì)算。重料車鋼絲繩拉力Fl1，空料車鋼絲繩拉力Fl2;

(3)卷筒軸受力、彎矩及轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 卷筒軸受力圖

(4)各處截面靜強(qiáng)度計(jì)算［2］

式中:τs=0.58×σs;取σs=295 MPa;Zp=1 513，由手冊查得。

由上述計(jì)算可得:A截面靜強(qiáng)度不滿足，B、C截面靜強(qiáng)度滿足。即在該工況時(shí)，卷筒軸與減速器聯(lián)接段強(qiáng)度不能滿足要求。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

(1)卷筒:在正常裝礦坑底啟動工況下，強(qiáng)度滿足要求;在過載裝礦坑底啟動及正常裝礦上行卡輪工況下，強(qiáng)度不滿足要求;三種工況下，穩(wěn)定性滿足要求。

(2)鍵聯(lián)接:兩處聯(lián)接鍵，在正常裝礦正常運(yùn)行工況下，擠壓應(yīng)力不滿足，剪切應(yīng)力滿足;在正常裝礦上行卡輪工況下，擠壓與剪切應(yīng)力均不滿足。

(3)卷筒軸:在正常裝礦斜橋正常運(yùn)行工況下，卷筒軸與減速器聯(lián)接鍵截面不滿足靜強(qiáng)度要求，其它截面滿足靜強(qiáng)度要求。

綜合以上分析，可確定舊卷筒裝置不能滿足改造后的使用工況。因此，舊卷筒裝置不得利舊。該工程卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)改造，需要按改造后卷揚(yáng)機(jī)要求重新設(shè)計(jì)、制作。

4 結(jié) 語

通過明確改造后卷揚(yáng)機(jī)的使用工況，對卷筒裝置中卷筒、鍵及卷筒軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，掌握卷筒裝置的強(qiáng)度滿足情況，依此判定是否利舊。在理論分析的基礎(chǔ)上，科學(xué)地制定卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)方案，解決實(shí)際工程問題，確保改造工程安全、可靠，更避免了安全事故的發(fā)生。

［1］ 嚴(yán)允進(jìn).煉鐵機(jī)械［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

［2］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Calculation of the Strength and Application Analysis of Drum Device for Skip Hoist

ZHAN Xue－xiong，SHI Han，XIONG Ya－zhou
(WISDRI Wugang Engineering Co.，Ltd，Wuhan Hubei430080，China)

A steel blast furnace is revamped，the effective volume and power of skip hoist is increased.The old drum device will be used.In order to ensure the safety and reliability of the hoist，the strength of drum device is calculated.Then the strength of the original winch drum device can not meet the new requirements.The old drum device can not be used，which avoids the occurrence of security incidents.

hoist;drum device;strength;calculation

TH123

B

1007－4414(2013)05－0135－04

2013－08－13

詹雪雄(1974－)，男，湖北黃石人，工程師，主要從事冶金設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究工作。