潘昌勇

（貴州航天職業(yè)技術(shù)學院，貴州遵義563000）

0 引言

目前，隨著國家對高能耗、高污染企業(yè)的嚴格限制，采用自焙陽極技術(shù)的電解鋁廠不得不改用預焙陽極技術(shù)，由于預焙槽電解技術(shù)技術(shù)含量高、能耗低、污染小、自動化程度高、工人勞動強度低、工作環(huán)境較好。因此，預焙槽代替自焙陽極電解槽成為我國鋁行業(yè)電解鋁廠改建、擴建和新建過程中的必選槽型，而預焙電解槽所用的提升裝置正是電解鋁預焙槽陽極提升機。預焙槽常用的陽極提升機有螺旋式提升機和三角板提升機兩種，而螺旋式提升機由于具有安全可靠、運行平穩(wěn)、承載能力高、易于控制等特點，在電解鋁行業(yè)中得到廣泛使用。但螺旋式提升機運動關(guān)系較為復雜，系統(tǒng)牽涉到多方面的運動關(guān)系和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在螺旋式提升機設(shè)計中，尋找一種快速、經(jīng)濟、合理的設(shè)計方法，對鋁工業(yè)設(shè)備的設(shè)計有著重要的意義，也是工程技術(shù)人員所渴求的。

根據(jù)多年對螺旋式提升機（以下簡稱為產(chǎn)品）的設(shè)計和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，總結(jié)出在進行螺旋式提升機設(shè)計時的一些通用方法，現(xiàn)簡要論述如下。

1 設(shè)計依據(jù)

任何產(chǎn)品的設(shè)計，首先都應(yīng)明確其設(shè)計依據(jù)，了解其用途，功能要求，使用環(huán)境等，然后再進入下一步的方案設(shè)計。

1）基本功能要求及構(gòu)成。產(chǎn)品應(yīng)具有升降母線的基本功能，且其驅(qū)動力和速度應(yīng)滿足電解槽參數(shù)要求，運行過程中能保證母線停留在任何位置。產(chǎn)品主要由電動機、主減速機、換向齒輪箱、聯(lián)軸器、傳動軸、螺旋起重器、主減速機機座、螺旋起重器機座等組成。

2）性能指標要求。產(chǎn)品性能指標主要根據(jù)來自用戶的訂貨條件和技術(shù)協(xié)議要求。主要參數(shù)有：提升重力、提升速度和提升距離。

3）環(huán)境條件要求。電源：國內(nèi)為AC 380 V±10% ，50 Hz±3%。工作制度為24 h/d，365 d/a。工作環(huán)境為高磁場、高溫、多粉塵。

4）產(chǎn)品使用壽命。產(chǎn)品使用壽命一般按15年的使用壽命進行設(shè)計。但由于電動機的工作是間歇性的，按每20 d更換一次陽極，行程400 mm，提升速度100 mm/min，則以產(chǎn)品15年的使用壽命計算，其實際帶負荷運行的總時間累積為18.25 h。取20 h作為產(chǎn)品滿負荷動態(tài)運行壽命。

圖1 設(shè)計過程

2 設(shè)計程序及設(shè)計內(nèi)容

在螺旋式提升機的設(shè)計過程中應(yīng)遵循圖1設(shè)計程序進行設(shè)計，這樣可有的放矢地進行設(shè)計，少走彎路，同時也避免設(shè)計上的一些疏忽。

2.1 方案論證

在設(shè)計螺旋式提升機時，首先要明確用戶提出的產(chǎn)品性能要求、主要參數(shù)，在此基礎(chǔ)上調(diào)研同類產(chǎn)品的設(shè)計和使用情況。并參照同類產(chǎn)品進行初步原理性方案設(shè)計，經(jīng)初步評審，選定方案。

2.2 總體設(shè)計

一般螺旋式提升機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 螺旋式提升機

2.2.1 總體布置方式的設(shè)計

一般來說，總體布置方式按起吊點數(shù)分，提升機有四點吊（如圖2）和八點吊（如圖3）兩種方式；按主減速機布置位置來分主要有主減速機端頭布置（如圖2）和中間布置（如圖3）兩種方式。采用哪種布置方式應(yīng)根據(jù)用戶電解槽的總體要求來確定提升機的布置方式。

圖3 螺旋式提升機

2.2.2 總功率的計算

由提升重力、提升速度和各級傳動的總機械效率，可由式（1）計算出總功率

式中:P為總功率，W；F為提升重力，N；為提升速度，m/s；Ση為總機械效率，Ση=η1×η2×η3×η4；η1為主減速機綜合機械效率，一般取0.72～0.95，蝸輪蝸桿式減速機取低值，其他的齒輪減速機取高值；η2為換向齒輪箱綜合機械效率，一般取0.92～0.95；η3為螺旋起重器綜合機械效率，一般取0.2～0.22；η4為聯(lián)軸器綜合機械效率，一般取0.95～0.97。

2.2.3 總傳動比的計算及各級傳動比分配

根據(jù)螺旋提升機結(jié)構(gòu)組成，提升機的總傳動比I0由主減速機傳動比i1，換向齒輪箱傳動比i2，螺旋起重器傳動比i3構(gòu)成，即I0=i1×i2×i3。

為計算總傳動比I0，應(yīng)根據(jù)用戶要求的提升重力F和提升速度V，按式（2）初步確定螺旋起重器絲桿中徑d2和螺距P。

式中：d2為絲桿中徑，mm；F為提升重力，N；N為起吊點數(shù)；ψ為螺母形式系數(shù)，一般整體式螺母ψ=1.2～2.5；Pp為螺紋副許用壓強，N/mm2，一般取18～25 N/mm2。

由計算結(jié)果d2可根據(jù)梯形螺紋國家標準GB/T5796.3，同時參照同類產(chǎn)品，初步確定螺旋起重器絲桿中徑d2和螺距P，由此確定梯形螺紋的公稱直徑，螺距P取值一般為16、14、12。則總傳動比

式中：n0為電動機轉(zhuǎn)速，r/min；P為螺距，mm；V為提升速度，m/s。

根據(jù)提升機在電解槽上的布置空間和各級傳動方式將總傳動比I0初步分配到各級傳動中。

一般換向齒輪箱減速比i2=1。螺旋起重器蝸輪蝸桿傳動比i3可根據(jù)提升重力參照同類產(chǎn)品初步取值,一般取值為32、28、24。由此可初步確定主減速機傳動比i1=I0/（i2i3）。

2.3 關(guān)鍵件設(shè)計

2.3.1 電動機的選型

由總功率P即可選定電動機型號，確定額定轉(zhuǎn)速，除用戶特別指定外，一般電動機類型為Y系列四級異步電動機，防護等級IP54，絕緣等級F。電動機選型時應(yīng)注意電動機接線盒方向應(yīng)與總體布置相符。

2.3.2 主減速機的選型

根據(jù)電解槽布置形式選擇主減速機類型，并由總功率、電動機額定轉(zhuǎn)速，以及各級傳動機械效率、傳動比計算出主減速機輸出轉(zhuǎn)矩，由傳動比i1和輸出轉(zhuǎn)矩合理選定主減速機型號，并根據(jù)電解槽總體布置設(shè)計繪制專用主減速機訂貨圖。

2.3.3 各級聯(lián)軸器的選型

聯(lián)軸器是提升機各機構(gòu)之間傳遞動力的關(guān)鍵件，根據(jù)聯(lián)軸器連接部位選擇不同類型的聯(lián)軸器，除與電動機連接部位采用絕緣聯(lián)軸器外，其余的可采用雙排鏈聯(lián)軸器或萬向聯(lián)軸器。

各級聯(lián)軸器規(guī)格型號應(yīng)根據(jù)各級所傳遞轉(zhuǎn)矩T按標準手冊的公稱轉(zhuǎn)矩[Tn]選定，選型時應(yīng)確保所選聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩[Tn]≥kT，系數(shù)k一般為1～1.5。而絕緣聯(lián)軸器除滿足轉(zhuǎn)矩要求外還應(yīng)達到用戶所要求的絕緣值。

2.3.4 換向齒輪箱的設(shè)計

換向齒輪箱主要由殼體、傘齒輪、軸承、軸承套、端蓋等組成，其功能主要是將主減速機傳遞的動力90°換向后傳給傳動軸。換向齒輪箱的傳動方式采用的是正交弧齒錐齒輪傳動，一般傳動比i2=1，即主動輪和從動輪齒數(shù)相等，旋向相反。齒形為格里森等頂隙收縮齒。按式（4）可算得錐齒輪大端分度圓d：

式中：d為錐齒輪大端分度圓，mm；T1為輸入轉(zhuǎn)矩，N·m，根據(jù)總功率、轉(zhuǎn)速和主減速機傳動比，機械效率可算出輸入軸轉(zhuǎn)矩T1；K為使用系數(shù)，由于工作載荷無沖擊，工況平穩(wěn)，故K=1；i2為傳動比，i2=1；σHlim為試驗齒輪接觸疲勞極限，可查相關(guān)手冊。

當大端分度圓直徑確定后，可選取錐齒輪最少齒數(shù)Z1，一般Z1=23，由m=d/z1即可求得大端端面模數(shù)m。

確定齒輪主要參數(shù)后應(yīng)根據(jù)換向齒輪箱輸入轉(zhuǎn)矩按式（5）計算傘齒輪軸的軸徑[1]。

式中：D0為傘齒輪軸的軸徑，mm；τp為軸許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，可查相關(guān)手冊，MPa；T2為換向齒輪箱輸入轉(zhuǎn)矩，N·m。

2.3.5 螺旋起重器的設(shè)計

螺旋起重器的設(shè)計是提升機設(shè)計的關(guān)鍵，設(shè)計上主要包括蝸輪蝸桿傳動設(shè)計，絲桿螺母傳動設(shè)計和軸承的選型。

主要已知條件：根據(jù)提升重力F和提升速度V按式（2）確定的絲桿中徑d2及傳動比i3，齒數(shù)Z1、Z2。蝸輪材料一般為ZCuZn25Al6Fe3Mn3，蝸桿材料為40Cr，絲桿材料為40Cr或45鋼。

1）蝸輪蝸桿傳動設(shè)計。圓柱蝸桿傳動的破壞形式，主要是蝸輪輪齒面產(chǎn)生膠合、點蝕和磨損，因此，通常圓柱蝸桿傳動按齒面接觸強度進行計算[1]：

式中：m為蝸輪端面模數(shù)；d1為蝸桿分度圓直徑，mm；根據(jù)m2d1的值按可查相關(guān)手冊查出對應(yīng)的m和d1值。Z2為蝸輪齒數(shù)；σHP為齒面許用接觸應(yīng)力，N/mm2，σHP=σHbpZbZN；σHbp為循環(huán)次數(shù)N=107時材料的許用接觸應(yīng)力，N/mm2；Zb為滑動速度影響系數(shù)；ZN為壽命系數(shù)，Zb、ZN可查相關(guān)手冊，由于提升機實際帶負荷運行時間僅為20 h，其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為NL=60n2t＜105次,n2為蝸輪轉(zhuǎn)速，所以其壽命系數(shù)ZN可按最大的1.5取值；k為載荷系數(shù)，由于提升機工作狀態(tài)平穩(wěn)，間歇工作，故可取k=1；T2為蝸輪軸轉(zhuǎn)矩,N·m。

式中，T1為蝸桿軸轉(zhuǎn)矩，可由蝸桿軸轉(zhuǎn)速和功率算出，N·m。

由以上接觸強度計算可得蝸桿傳動的主要參數(shù)m，d1，再由齒數(shù)Z1、Z2即可算出蝸輪蝸桿的其他幾何參數(shù)。由以上算出蝸桿分度圓，并根據(jù)結(jié)構(gòu)要求設(shè)計出蝸桿軸后應(yīng)按式（5）驗算蝸桿軸軸端的強度。

2）絲桿螺母傳動設(shè)計。在確定蝸輪齒形及各參數(shù)后應(yīng)按絲桿螺母副耐磨性要求計算出蝸輪梯形螺紋高度[1]：

式中：ψ為螺母形式系數(shù)；d2為絲桿中徑，根據(jù)式（2）確定。

算出梯形螺紋主要幾何參數(shù)后，要按以下各式對梯形螺紋進行校核：

a.耐磨性驗算:

式中：p1為工作壓強,N/mm2；F為提升重力,N；h為基本牙型高度,mm;h=0.5P；P為螺紋螺距；N為起吊點數(shù)；n為旋合圈數(shù),n=H/P；Pp為螺紋副許用比壓，可查相關(guān)手冊,N/mm2。

b.自鎖性校核:

式中：λ為螺紋中徑螺旋升角；ρ′為當量摩擦角；μ為摩擦因數(shù)，可查相關(guān)手冊。

c.螺紋牙強度校核。由于螺母強度低于螺桿，所以只對螺母牙強度進行校核。

螺紋剪切強度τ校核：

螺紋彎曲強度σb校核：

式中：F為提升重力,N；N為起吊點數(shù)；D為螺母螺紋大徑,mm；H1為基本牙形高,H1=0.5P,mm；b為螺紋牙根寬,b=0.65P,mm；τp為許用剪切應(yīng)力，可查相關(guān)手冊,N/mm2;σbp為許用彎曲應(yīng)力N/mm2，可查相關(guān)手冊。

3）軸承的選型。螺旋起重器下部的軸承承載著螺旋起重器提升的全部負荷，所以軸承的選擇至關(guān)重要。

為提高軸承承載能力，下部軸承應(yīng)選用大錐角圓錐滾子軸承。由于蝸輪轉(zhuǎn)速較低，所以應(yīng)分別計算軸承基本額定動載荷C和額定靜載荷C0，取其中較大值選取相應(yīng)軸承。

a.軸承基本額定動載荷C[1]：

式中:fh為壽命因數(shù)；fm為力矩載荷因數(shù)；fd為沖擊載荷因數(shù)；fn為速度因數(shù)；fT為溫度因數(shù)；Cr為選定軸承額定動載荷；Pr為徑向當量動載荷，其余各因數(shù)均可從手冊上查到。

對圓錐滾子軸承，徑向當量動載荷：

徑向當量靜載荷：式中：y、y0為計算系數(shù)，可從軸承手冊上查到；Fr為徑向載荷，可由蝸輪蝸桿傳動計算出蝸輪所受徑向載荷而求得，N；Fa為軸向載荷，N。

式中：S0為安全系數(shù)，一般為0.5～1.6；C0r為選定軸承額定靜載荷。

4）絲桿危險截面校核。絲桿下端與吊頭連接的孔中心截面是危險斷面，需要按式（18）進行校核。

式中：σ為危險斷面應(yīng)力，N/mm2；F為提升重力，N；N為起吊點數(shù)；A為截面面積，mm2；[σ]為許用應(yīng)力，N/mm2。

2.3.6 傳動軸的設(shè)計

傳動軸是傳遞動力的關(guān)鍵受力件，設(shè)計時主要是對傳動軸上端頭軸進行扭轉(zhuǎn)強度計算和對空心鋼管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進行校核。

1）端頭軸強度計算可按上述式（5）進行計算。

2）空心鋼管扭轉(zhuǎn)剛度按式（19）計算[1]：

式中：φ為扭轉(zhuǎn)角，（°）/m；T為傳遞轉(zhuǎn)矩，N·m；d為鋼管內(nèi)徑，mm；α為鋼管內(nèi)徑與外徑比值系數(shù)。

3）空心鋼管彎曲剛度按式（20）計算：

式中：f為撓度，m；q為單位長度重力，N/m；l為鋼管長度，m；E為材料彈性模量，N/m2；I為鋼管截面慣性矩，m4。

圖4 銷軸受力示意圖

2.3.7 銷軸的設(shè)計

銷軸是指連接螺旋起重器絲桿和夾板的連接銷，其受力如圖4所示，負荷大小為螺旋起重器的提升重力，銷軸除滿足結(jié)構(gòu)需要外，其強度應(yīng)滿足式（20）～式（23）的要求[1]。

抗壓強度：

抗剪強度：

抗彎強度：

式中:F為提升重力，N；N為起吊點數(shù)；σp為銷軸工作面擠壓應(yīng)力，N/mm2；σpp為許用擠壓應(yīng)力，一般取125～150 N/mm2；τ為剪切應(yīng)力，N/mm2；τp為許用剪切應(yīng)力，一般取90～120 N/mm2；σt為彎應(yīng)力,N/mm2；a、b、c為連接頭尺寸,mm；d為銷軸外徑,mm。

2.3.8 螺旋起重器機座的設(shè)計

螺旋起重器機座用于安裝和支撐螺旋起重器，在承受螺旋起重器及其提升重力的同時還要承受框架的重力，所以設(shè)計時應(yīng)保證機座有足夠的強度和剛度，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計后，應(yīng)建立三維模型，通過三維軟件摸擬受力工況，進行應(yīng)力分析，以確保機座滿足使用要求。

2.3.9 主減速機機座的設(shè)計

主減速機機座用于安裝和支撐電動機、主減速機、換向齒輪箱等，機座在結(jié)構(gòu)設(shè)計時除要注意各安裝基面幾何位置關(guān)系外，機座的強度和剛度應(yīng)得到充分的保證，以確保動力的正常傳遞。

2.3.10 計數(shù)器和脈沖發(fā)生器的選型

選擇計數(shù)器應(yīng)注意計數(shù)器的傳動比應(yīng)符合總體設(shè)計要求，同時弄清楚左右型號與數(shù)字增減的關(guān)系，以保證其數(shù)字增量與提升速度及方向相符。而脈沖發(fā)生器選型時注意其感應(yīng)距離，電壓，耐高溫性能等應(yīng)符合總體設(shè)計要求。

3 驗證試驗

提升機應(yīng)裝到專用試驗臺，模擬提升機在電解槽上實現(xiàn)工作狀況進行空載和負載試驗，并滿足客戶使用要求。

4 結(jié)語

提升機在設(shè)計過程中，各主要參數(shù)需要不斷調(diào)整，前一設(shè)計過程確定的參數(shù)須后一設(shè)計過程的校核驗證，直至產(chǎn)品的各項主要參數(shù)均能滿足設(shè)計要求為止。作為現(xiàn)代預焙槽上關(guān)鍵設(shè)備，在保證安全可靠的情況下要經(jīng)濟合理地去優(yōu)化設(shè)計，以取得較好的產(chǎn)品性價比，設(shè)計中既要把握全局又抓住重點，對重要受力件要進行仔細校核，必要時要建模，用分析軟件進行受力分析，只有這樣才能提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，適應(yīng)市場需要，本文所述的設(shè)計方法經(jīng)長期實踐驗證，行之有效，在生產(chǎn)中起到較好的指導性作用。