RH鋼包頂升臺車的設計與應用

陳 靖

(寶鋼工程技術集團有限公司冶煉事業部，上海 201900)

0 前言

傳統的RH真空處理，鋼包臺車在鋼包接受跨接受滿載鋼水的鋼包后運行至RH真空處理位，由設置在軌道中間地坑內的大型液壓頂升設備將鋼包臺車(鋼包托架)和滿水鋼包一同頂起，浸漬管浸入鋼水液面下的規定位置開始鋼水處理。上述工藝過程中涉及設備復雜，在地坑內有頂升框架、框架軌道、液壓系統等，因為鋼包臺車和鋼包被一同頂起，液壓系統需做一部分額外功;頂升過程中，鋼包臺車在水平方向處于無約束狀態，易傾翻，系統穩定性差。為此，寶鋼工程公司精煉事業部為日本住友金屬鹿島制鐵所設計了一種具有鋼包頂升功能的新型鋼包臺車。該新型臺車簡化了原有RH處理的工藝設備，節省了大量的運行維護工作，提高了鋼包頂升后的整體穩定性，并降低了工程投資和人力投入。

1 技術分析

RH鋼包頂升臺車主要由車架、托架、升降傳動裝置、升降導向裝置、走行傳動裝置、主動車輪組和從動車輪組組成。

如圖1所示，鋼包坐在托架上，其整體由裝配在臺車上的四個螺旋千斤頂支承。頂升導向裝置的導軌架與托架連成整體，提高了托架結構的剛度和穩定性，使托架(帶鋼包)能平穩升降。

RH頂升鋼包臺車的主要技術難點在于升降傳動裝置升降導向裝置和主動車輪組。

圖1 RH鋼包頂升臺車Fig.1 RH steel lable lifting trolley

1.1 升降傳動裝置

鋼包頂升臺車的升降傳動有兩種形式可以采用:一是液壓傳動，二是機械傳動。

液壓傳動的優點是所需機構少，設備簡單，缺點是采用多個油缸頂升時同步性不好，對于滿載鋼水的鋼包臺車本身，自身環境惡劣，高溫多塵，液壓傳動存在安全隱患，系統可靠性不高。機械傳動雖然結構復雜，傳動效率不高，但是同步性容易實現，系統安全可靠。因此，鋼包頂升臺車的升降傳動采用機械傳動，執行機構采用螺旋千斤頂。

升降傳動裝置如圖2所示，由螺旋千斤頂、減速器、聯軸器、電磁離合器、氣動馬達、電動機和制動器組成。千斤頂的四個頂頭支承托架的支座，為防止托架發生水平移動，托架的支座點采用凹形孔。傳動形式為電動機通過雙輸出軸減速機和聯軸器聯接臺車上一端的兩臺螺旋千斤頂，四臺螺旋千斤頂分別由兩套傳動裝置驅動。減速機另一側輸入軸通過聯軸器、電磁離合器聯接一臺氣動馬達，以備停電和事故狀況時能使鋼包及托架能平穩降下。

由于升降裝置有兩套，為實現其同步有兩種方法:機械強制同步和電氣控制同步。機械強制同步即將兩端螺旋千斤頂的輸出軸通過聯軸器、齒輪箱、中間軸等進行強制聯接，以實現兩端千斤頂旋升速率相同，該方法需較多機械設備才能完成，在臺車有限的空間不易實現也不經濟。電氣控制同步主要是通過安裝在電動機輸出軸上的旋轉編碼器反饋實時信號給馬達控制中心，由其實現電機轉速同步，當旋轉編碼器出現故障時，安裝在兩端螺旋千斤頂輸出軸上的測速發電機(信號發生器)充當旋轉編碼器的角色反饋信號，實現雙保險。

圖2 升降傳動裝置Fig.2 Lifting driving device

1.2 升降導向裝置

為實現鋼包頂升過程的穩定性和克服震動產生的水平作用力，臺車上設置升降導向裝置。如圖3所示，升降導向裝置由導軌架和導輪座裝置組成。

圖3 升降導向裝置Fig.3 Lifting guiding device

導軌架由導軌和導軌連接架組成。導軌軌面為W型，通過螺栓聯接安裝在兩端的導軌基礎面上，軌道部分設置在托架下方，兩端的導軌基礎面通過中間的連接橫梁連在一起，并與托架組成剛性框架，提高了托架的整體剛性和穩定性。

導輪座裝置有四個，分別對應四個導軌的導向面，呈45°交叉布置。導向座裝置由上下兩層導輪裝置組成，導輪為偏心結構，在安裝時，可根據實際情況調整導輪與導軌面之間的間隙大小。

1.3 主動車輪組

對于大載重的鋼包頂升臺車，為保證其走行平穩，將其走行傳動裝置設計成集中驅動形式，即電動機、減速機、制動器、編碼器、測速發電機(信號發生器)通過聯軸器形成驅動組件，再通過聯軸器與兩邊的主動車輪組輸入軸聯接，實現走行驅動。

大載重臺車的主動車輪組采用平衡梁結構開式齒輪傳動形式。用平衡梁的結構形式可以均分輪壓，減小對軌道基礎的壓力，降低車輪、輪軸對材料的要求。由于采用平衡梁結構形式，輪壓減小，主動車輪組只有一個車輪為驅動輪，驅動力明顯不足，容易出現打滑現象。為此，采用開式齒輪傳動形式，讓主動車輪組的兩個車輪都成為驅動輪，從而提高驅動力。

如圖4所示，輸入軸與驅動組件聯接，其上的輸入齒輪將驅動力傳動給齒輪1，再通過中間齒輪，將驅動力傳給齒輪2，實現與齒輪1、齒輪2聯接的車輪轉動，形成雙驅動。

從動車輪組采用平衡梁結構形式，無需開式齒輪傳動。

圖4 主動車輪組Fig.4 Active wheel set

2 設計計算

RH鋼包頂升臺車主體承載結構為車架和托架。為保證在滿載鋼水時車架和托架的機械性能，以ANSYS為平臺，對車架和托架進行結構靜力分析，獲取其在滿載時結構的應力分布及變形情況。

2.1 車架有限元分析

RH鋼包頂升臺車的車架為焊接結構件，主體材料Q345-B。臺車在使用過程中，受力區域為螺旋千斤頂在車架上的安裝面，如圖5所示中的陰影區域，臺車載重490 t，每處陰影區域承載1250 kN。車架下部由車輪組支承，車輪組在車架上的安裝面如圖6所示的陰影區域。

對車架進行三維建模，網格劃分后，施加載荷和約束，其應力應變分布如圖7～10所示。

圖7 車架整體應力分布云圖Fig.7 Nephogram of stress distribution on whole chassis

由計算結果可知，車架的最大應力近70 MPa，大部分區域應力在30 MPa以下，應力較大的部位集中在加載區域和約束施加區域附近。車架的最大位移為0.38 mm，出現在受力面邊緣，車架最大應力70 MPa，最大變形為0.38 mm。

鋼板的材料Q345-B:δs=295 MPa，

故RH升降臺車車架的安全系數為

2.2 托架有限元分析

RH鋼包頂升臺車的托架為焊接結構件，主體材料Q345-B。臺車在使用過程中，受力區域為鋼包罐座與托架的接觸面，如圖11所示中的陰影區域，托架載重450 t，每處陰影區域承載2250 kN。托架與螺旋千斤頂的接觸面為支承面。

對車架進行三維建模，網格劃分后，施加載荷和約束，計算的應力應變分布如圖12～15所示。

圖15 托架局部變形云圖Fig.15 Nephogram for local deformation of bracket

由計算結果可知，托架的最大應力為116 MPa，發生在支座的局部位置，為應力集中點，在荷載作用位置的跨中，最大應力為57.7 MPa;最大合成位移為1.3 mm，位置處于荷載作用的跨中、板件的中部偏內側。

鋼板的材料Q345-B δs=295 MPa;

故此，可得托架的安全系數為

通過以上計算，車架與托架的強度及剛度滿足設計要求。

3 使用效果

為日本住友金屬鹿島制鐵所設計的載重490 t RH鋼包頂升臺車已于國內制造完畢，并完成了空負荷試運行，結果顯示頂升同步性良好。該新型臺車大大簡化了原有RH處理的工藝設備，節省了大量的運行維護工作，提高了鋼包頂升后的整體穩定性，并降低了工程投資和人力投入。

［1］ 成大先．機械設計手冊［M］．北京:化學工業出版社，2008．

［2］ 張質文．起重機設計手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［3］ 馮福慶．LF爐鋼包運輸臺車結構有限元分析與研究［D］．鞍山:遼寧科技大學，2008．