500kA電解多功能機組出鋁車的設計與計算

摘要：文章主要介紹了500kA電解多功能機組出鋁車的設計開發，對出鋁車的提升機構及行走機構的主要部件進行了詳細的設計計算。貴陽鋁鎂設計研究院有限公司開發設計的500kA電解多功能機組適應了市場需求，降低了業主的投資成本，改善了工人的生產環境。

關鍵詞：出鋁車；起升機構；行走機構

中圖分類號：F251 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）16-0007-03

隨著電解槽電流的不斷加大，電解鋁廠的單系列產能的增加，要求配套的出鋁抬包的容量逐漸增大。近年來國家對生產安全的重視，電解多功能機組出鋁車對其安全性和起重量的要求也越來越高。鋁電解車間溫度高、粉塵大，其生產過程中的大部分操作需要靠電解多功能機組來完成，其中出鋁工序是吊運的熔融金屬，其安全性要求極其重要。

1 設計參數

出鋁車采用傳統的偏掛在大車一側主梁上面，這樣的方案配置可以為業主降低投資，在同一臺天車上運行不影響工具小車的靠邊等問題，提高力天車運行效率。偏掛方案如圖1所示，圖中L1=600mm，L2=2085mm。

1.1 規格技術性能

起重量：Q2=28.5噸（出鋁抬包自重加裝滿鋁液重量）；

起升速度：1～4.5m/min（變頻調速）；

小車行走速度：1～25m/min（變頻調速）；

出鋁車自重：Q2=14噸（估算）；

出鋁小車的機構工作級別根據國家的標準規范，吊運300以上的熾熱物品，金屬液體、有毒物、易爆品以及其他危險物品的起重機其機構工作級別不應低于M6級。此處出鋁車的工作級別取M7級。

1.2 基本計算

為保證出鋁小車的安全正常工作，其本身應具備三個基本條件：（1）金屬結構和機械零部件應具有足夠的強度、剛度和抗屈服能力；（2）整機具有必要的抗傾覆穩定性；（3）電動機具有滿足作業性能要求的功率，制動裝置提供必要的制動轉矩。設計時，首先確定載荷，載荷計算是出鋁車設計計算的基礎。由圖1對整個出鋁小車進行受力分析：

F為上水平輪的受力，F'為下水平輪受力。所以：

2 起升機構設計計算

起升機構是起重機中最重要、最基本的機構，其工作的好壞直接影響整臺起重機的工作性能。起升機構有內燃機驅動、電動機驅動和液壓驅動三種驅動方式。出鋁車一般采用電動機驅動方式，此種方式操縱簡單，維護容易，機組重量輕，工作可靠。出鋁車起升機構由驅動裝置（電動機、聯軸器、制動器、減速機、卷筒等部件）、鋼絲繩卷繞系統（鋼絲繩、卷筒、定滑輪和動滑輪）、吊鉤和安全保護裝置（超負荷限制器、起升高度限圖1出鋁車偏掛方案制器和超速保護開關）等組成。設計起升機構時需給定的參數有：起重量、工作級別、起升高度和起升速度。

2.1 鋼絲繩的設計

鋼絲繩是廣泛應用于起重機中的撓性構件。它具有承載能力大，卷繞性好，運動平穩無噪聲，極少突然斷裂，工作可靠等優點。起重機多使用圓形截面的鋼絲繩。采用單聯滑輪組，鋼絲繩的最大靜拉力為：

式中：

按安全系數n選擇鋼絲繩直徑：

式中：

F0—所選鋼絲繩的破斷拉力

n—鋼絲繩的最小安全系數，根據工作級別M7級，n=8

則：kN

選取型號為6×36WS+IWR 1770，直徑為d=20的鋼絲繩，F0=272kN。

2.2 卷筒的設計

卷筒組是起升機構中卷繞鋼絲繩的主要部件。根據鋼絲繩在卷筒上卷繞的層數分為單層卷繞筒和多層卷繞筒。多層卷繞筒可以減少卷筒長度，使機構緊湊，但鋼絲繩磨損加快，工作級別較高者不宜采用。此次設計采用單層雙聯卷筒，標準槽設計。卷筒名義直徑，按工作等級M7級取e=22.4，則

取，并校核卷筒的強度：

式中：

A1—應力減小系數，A1=0.75

A2—多層卷繞系數，A2=1.0

Smax—鋼絲繩最大靜拉力，因為卷筒為雙出繩，此處取為2S

δ—卷筒壁厚，δ=20

p—繩槽節距，p=22

—許用壓應力，對鋼MPa，卷筒材料為Q345-B。

則，滿足校核條件。

2.3 提升電機的功率選擇

電機靜功率：

式中：

—起升速度，

—機構總效率，初步估算為0.8

則：，電機功率選取為37kW。

2.4 制動器的選擇

制動器是保證起重機安全的重要部件，起升機構的每一套獨立的驅動裝置至少要裝設一個支持制動器。出鋁車為吊運液體熔融金屬，要求每套獨立的驅動裝置至少應設置兩個支持制動器。支持制動器應是常閉式的，制動輪必須裝在與傳動機構剛性連接的軸上。起升機構制動器的制動轉矩必須大于滿載抬包加升降部分產生的靜轉矩，在足夠的安全系數下，制動轉矩應滿足：

式中：

Tz—制動器制動轉矩

Kz—制動安全系數，按M7級，取Kz=2

i—傳動機構傳動比，i=56

則高速軸的制動轉矩為：

低速軸的制動轉矩為：

3 行走機構設計計算

軌行式運行機構主要由運行支承裝置與運行驅動裝置兩大部分組成。運行支承裝置用來承受出鋁車的自重及外載荷，并將所有這些載荷傳遞給軌道及大車主梁，主要包括水平輪、車輪與軌道等。運行驅動裝置用來驅動出鋁車在軌道上運行，主要由電動機、減速器、制動器等組成。

3.1 車輪的設計

按照車輪踏面與軌道頂部形狀，車輪的接觸處可能是一條直線，稱為線接觸，也可能是一個點，稱為點接觸。線性接觸的受力情況較好，但往往由于機構變形和安裝誤差等因素，線接觸的應力分布不盡人意，在起重機運行機構中常常采用點接觸結構。車輪所承受的載荷與運行機構傳動系統的載荷無關，可直接根據出鋁車的外載荷的平衡條件求得。

由于出鋁車輪為偏掛設計，所以只有一個端梁，兩套主動車輪組。車輪的疲勞計算載荷PC可由出鋁車的最大輪壓和最小輪壓來確定。

式中：

Pmax—起重機正常工作時的最大輪壓，為208.5kN

Pmin—起重機正常工作時的最小輪壓，為68.7kN。

則：kN

車輪踏面接觸強度按線接觸允許輪壓計算：

式中：

K1—與材料有關的許用線接觸應力常數，K1=7.2

D—車輪踏面直徑，D=350mm

L—車輪與軌道有效接觸長度，L=100mm

C1—轉速系數，C1=1

C2—工作級別系數，按M7級得C2=0.8

則kN，滿足校核

條件。

3.2 運行電機的功率選擇

運行電機的功率選擇必須首先進行出鋁車的運行阻力計算，穩定運行的阻力Fj一般由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和風阻力Fw三項組成。由于出鋁車安裝在室內，我們這里不考慮風阻力。

摩擦阻力：

式中：

—滾動摩擦系數，

—車輪軸承摩擦系數，μ=0.02

—軸承處車輪軸直徑，

—附加摩擦阻力系數，

則：

坡道阻力：，對于橋式起重機，

則：

運行阻力：

電動機功率電機靜功率：

式中：

—小車運行速度，

—機構傳動效率，初步估算為0.85

—電動機個數，

則：

電動機功率kW，其中為考慮到電動機起動時慣性影響的功率增大系數，選擇5.5kW電機兩個。

4 結語

由于篇幅有限，本文主要講述了出鋁車的主要部件的設計計算，此外對于聯軸器、制動器、減速機的選擇，定滑輪、動滑輪及主要金屬結構件的設計也相當重要。在設計工作中應認真總結經驗，對相關參數的取值要慎之又慎，在保證出鋁車安全運行的前提下，降低其工程造價。

參考文獻

[1] 張質文，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵

道出版社，1998.

[2] 成大先.機械設計手冊：起重運輸件[M].北京：

化學工業出版社，2004.

作者簡介：高軍永（1981—），男，貴陽鋁鎂設計研究院有限公司工程師，碩士，研究方向：非標機械設備的設計。

由于出鋁車輪為偏掛設計，所以只有一個端梁，兩套主動車輪組。車輪的疲勞計算載荷PC可由出鋁車的最大輪壓和最小輪壓來確定。

式中：

Pmax—起重機正常工作時的最大輪壓，為208.5kN

Pmin—起重機正常工作時的最小輪壓，為68.7kN。

則：kN

車輪踏面接觸強度按線接觸允許輪壓計算：

式中：

K1—與材料有關的許用線接觸應力常數，K1=7.2

D—車輪踏面直徑，D=350mm

L—車輪與軌道有效接觸長度，L=100mm

C1—轉速系數，C1=1

C2—工作級別系數，按M7級得C2=0.8

則kN，滿足校核

條件。

3.2 運行電機的功率選擇

運行電機的功率選擇必須首先進行出鋁車的運行阻力計算，穩定運行的阻力Fj一般由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和風阻力Fw三項組成。由于出鋁車安裝在室內，我們這里不考慮風阻力。

摩擦阻力：

式中：

—滾動摩擦系數，

—車輪軸承摩擦系數，μ=0.02

—軸承處車輪軸直徑，

—附加摩擦阻力系數，

則：

坡道阻力：，對于橋式起重機，

則：

運行阻力：

電動機功率電機靜功率：

式中：

—小車運行速度，

—機構傳動效率，初步估算為0.85

—電動機個數，

則：

電動機功率kW，其中為考慮到電動機起動時慣性影響的功率增大系數，選擇5.5kW電機兩個。

4 結語

由于篇幅有限，本文主要講述了出鋁車的主要部件的設計計算，此外對于聯軸器、制動器、減速機的選擇，定滑輪、動滑輪及主要金屬結構件的設計也相當重要。在設計工作中應認真總結經驗，對相關參數的取值要慎之又慎，在保證出鋁車安全運行的前提下，降低其工程造價。

參考文獻

[1] 張質文，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵

道出版社，1998.

[2] 成大先.機械設計手冊：起重運輸件[M].北京：

化學工業出版社，2004.

作者簡介：高軍永（1981—），男，貴陽鋁鎂設計研究院有限公司工程師，碩士，研究方向：非標機械設備的設計。

由于出鋁車輪為偏掛設計，所以只有一個端梁，兩套主動車輪組。車輪的疲勞計算載荷PC可由出鋁車的最大輪壓和最小輪壓來確定。

式中：

Pmax—起重機正常工作時的最大輪壓，為208.5kN

Pmin—起重機正常工作時的最小輪壓，為68.7kN。

則：kN

車輪踏面接觸強度按線接觸允許輪壓計算：

式中：

K1—與材料有關的許用線接觸應力常數，K1=7.2

D—車輪踏面直徑，D=350mm

L—車輪與軌道有效接觸長度，L=100mm

C1—轉速系數，C1=1

C2—工作級別系數，按M7級得C2=0.8

則kN，滿足校核

條件。

3.2 運行電機的功率選擇

運行電機的功率選擇必須首先進行出鋁車的運行阻力計算，穩定運行的阻力Fj一般由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和風阻力Fw三項組成。由于出鋁車安裝在室內，我們這里不考慮風阻力。

摩擦阻力：

式中：

—滾動摩擦系數，

—車輪軸承摩擦系數，μ=0.02

—軸承處車輪軸直徑，

—附加摩擦阻力系數，

則：

坡道阻力：，對于橋式起重機，

則：

運行阻力：

電動機功率電機靜功率：

式中：

—小車運行速度，

—機構傳動效率，初步估算為0.85

—電動機個數，

則：

電動機功率kW，其中為考慮到電動機起動時慣性影響的功率增大系數，選擇5.5kW電機兩個。

4 結語

由于篇幅有限，本文主要講述了出鋁車的主要部件的設計計算，此外對于聯軸器、制動器、減速機的選擇，定滑輪、動滑輪及主要金屬結構件的設計也相當重要。在設計工作中應認真總結經驗，對相關參數的取值要慎之又慎，在保證出鋁車安全運行的前提下，降低其工程造價。

參考文獻

[1] 張質文，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵

道出版社，1998.

[2] 成大先.機械設計手冊：起重運輸件[M].北京：

化學工業出版社，2004.

作者簡介：高軍永（1981—），男，貴陽鋁鎂設計研究院有限公司工程師，碩士，研究方向：非標機械設備的設計。