500kA電解多功能機(jī)組出鋁車的設(shè)計(jì)與計(jì)算

摘要：文章主要介紹了500kA電解多功能機(jī)組出鋁車的設(shè)計(jì)開發(fā)，對出鋁車的提升機(jī)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)的主要部件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司開發(fā)設(shè)計(jì)的500kA電解多功能機(jī)組適應(yīng)了市場需求，降低了業(yè)主的投資成本，改善了工人的生產(chǎn)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：出鋁車；起升機(jī)構(gòu)；行走機(jī)構(gòu)

中圖分類號：F251 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)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(chǎn)安全的重視，電解多功能機(jī)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(chǎn)過程中的大部分操作需要靠電解多功能機(jī)組來完成，其中出鋁工序是吊運(yùn)的熔融金屬，其安全性要求極其重要。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

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

1.1 規(guī)格技術(shù)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(diào)速）；

小車行走速度：1～25m/min（變頻調(diào)速）；

出鋁車自重：Q2=14噸（估算）；

出鋁小車的機(jī)構(gòu)工作級別根據(jù)國家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，吊運(yùn)300以上的熾熱物品，金屬液體、有毒物、易爆品以及其他危險(xiǎn)物品的起重機(jī)其機(jī)構(gòu)工作級別不應(yīng)低于M6級。此處出鋁車的工作級別取M7級。

1.2 基本計(jì)算

為保證出鋁小車的安全正常工作，其本身應(yīng)具備三個(gè)基本條件：（1）金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)械零部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和抗屈服能力；（2）整機(jī)具有必要的抗傾覆穩(wěn)定性；（3）電動機(jī)具有滿足作業(yè)性能要求的功率，制動裝置提供必要的制動轉(zhuǎn)矩。設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定載荷，載荷計(jì)算是出鋁車設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。由圖1對整個(gè)出鋁小車進(jìn)行受力分析：

F為上水平輪的受力，F(xiàn)'為下水平輪受力。所以：

2 起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

起升機(jī)構(gòu)是起重機(jī)中最重要、最基本的機(jī)構(gòu)，其工作的好壞直接影響整臺起重機(jī)的工作性能。起升機(jī)構(gòu)有內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動、電動機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動三種驅(qū)動方式。出鋁車一般采用電動機(jī)驅(qū)動方式，此種方式操縱簡單，維護(hù)容易，機(jī)組重量輕，工作可靠。出鋁車起升機(jī)構(gòu)由驅(qū)動裝置（電動機(jī)、聯(lián)軸器、制動器、減速機(jī)、卷筒等部件）、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)（鋼絲繩、卷筒、定滑輪和動滑輪）、吊鉤和安全保護(hù)裝置（超負(fù)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(hù)開關(guān)）等組成。設(shè)計(jì)起升機(jī)構(gòu)時(shí)需給定的參數(shù)有：起重量、工作級別、起升高度和起升速度。

2.1 鋼絲繩的設(shè)計(jì)

鋼絲繩是廣泛應(yīng)用于起重機(jī)中的撓性構(gòu)件。它具有承載能力大，卷繞性好，運(yùn)動平穩(wěn)無噪聲，極少突然斷裂，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。起重機(jī)多使用圓形截面的鋼絲繩。采用單聯(lián)滑輪組，鋼絲繩的最大靜拉力為：

式中：

按安全系數(shù)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(shù)，根據(jù)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，F(xiàn)0=272kN。

2.2 卷筒的設(shè)計(jì)

卷筒組是起升機(jī)構(gòu)中卷繞鋼絲繩的主要部件。根據(jù)鋼絲繩在卷筒上卷繞的層數(shù)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(jī)構(gòu)緊湊，但鋼絲繩磨損加快，工作級別較高者不宜采用。此次設(shè)計(jì)采用單層雙聯(lián)卷筒，標(biāo)準(zhǔn)槽設(shè)計(jì)。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(qiáng)度：

式中：

A1—應(yīng)力減小系數(shù)，A1=0.75

A2—多層卷繞系數(shù)，A2=1.0

Smax—鋼絲繩最大靜拉力，因?yàn)榫硗矠殡p出繩，此處取為2S

δ—卷筒壁厚，δ=20

p—繩槽節(jié)距，p=22

—許用壓應(yīng)力，對鋼MPa，卷筒材料為Q345-B。

則，滿足校核條件。

2.3 提升電機(jī)的功率選擇

電機(jī)靜功率：

式中：

—起升速度，

—機(jī)構(gòu)總效率，初步估算為0.8

則：，電機(jī)功率選取為37kW。

2.4 制動器的選擇

制動器是保證起重機(jī)安全的重要部件，起升機(jī)構(gòu)的每一套獨(dú)立的驅(qū)動裝置至少要裝設(shè)一個(gè)支持制動器。出鋁車為吊運(yùn)液體熔融金屬，要求每套獨(dú)立的驅(qū)動裝置至少應(yīng)設(shè)置兩個(gè)支持制動器。支持制動器應(yīng)是常閉式的，制動輪必須裝在與傳動機(jī)構(gòu)剛性連接的軸上。起升機(jī)構(gòu)制動器的制動轉(zhuǎn)矩必須大于滿載抬包加升降部分產(chǎn)生的靜轉(zhuǎn)矩，在足夠的安全系數(shù)下，制動轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：

式中：

Tz—制動器制動轉(zhuǎn)矩

Kz—制動安全系數(shù)，按M7級，取Kz=2

i—傳動機(jī)構(gòu)傳動比，i=56

則高速軸的制動轉(zhuǎn)矩為：

低速軸的制動轉(zhuǎn)矩為：

3 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

軌行式運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要由運(yùn)行支承裝置與運(yùn)行驅(qū)動裝置兩大部分組成。運(yùn)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(yùn)行驅(qū)動裝置用來驅(qū)動出鋁車在軌道上運(yùn)行，主要由電動機(jī)、減速器、制動器等組成。

3.1 車輪的設(shè)計(jì)

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(gè)點(diǎn)，稱為點(diǎn)接觸。線性接觸的受力情況較好，但往往由于機(jī)構(gòu)變形和安裝誤差等因素，線接觸的應(yīng)力分布不盡人意，在起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)中常常采用點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)。車輪所承受的載荷與運(yùn)行機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)的載荷無關(guān)，可直接根據(jù)出鋁車的外載荷的平衡條件求得。

由于出鋁車輪為偏掛設(shè)計(jì)，所以只有一個(gè)端梁，兩套主動車輪組。車輪的疲勞計(jì)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(jī)正常工作時(shí)的最大輪壓，為208.5kN

Pmin—起重機(jī)正常工作時(shí)的最小輪壓，為68.7kN。

則：kN

車輪踏面接觸強(qiáng)度按線接觸允許輪壓計(jì)算：

式中：

K1—與材料有關(guān)的許用線接觸應(yīng)力常數(shù)，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(zhuǎn)速系數(shù)，C1=1

C2—工作級別系數(shù)，按M7級得C2=0.8

則kN，滿足校核

條件。

3.2 運(yùn)行電機(jī)的功率選擇

運(yùn)行電機(jī)的功率選擇必須首先進(jìn)行出鋁車的運(yùn)行阻力計(jì)算，穩(wěn)定運(yùn)行的阻力Fj一般由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和風(fēng)阻力Fw三項(xiàng)組成。由于出鋁車安裝在室內(nèi)，我們這里不考慮風(fēng)阻力。

摩擦阻力：

式中：

—滾動摩擦系數(shù)，

—車輪軸承摩擦系數(shù)，μ=0.02

—軸承處車輪軸直徑，

—附加摩擦阻力系數(shù)，

則：

坡道阻力：，對于橋式起重機(jī)，

則：

運(yùn)行阻力：

電動機(jī)功率電機(jī)靜功率：

式中：

—小車運(yùn)行速度，

—機(jī)構(gòu)傳動效率，初步估算為0.85

—電動機(jī)個(gè)數(shù)，

則：

電動機(jī)功率kW，其中為考慮到電動機(jī)起動時(shí)慣性影響的功率增大系數(shù)，選擇5.5kW電機(jī)兩個(gè)。

4 結(jié)語

由于篇幅有限，本文主要講述了出鋁車的主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，此外對于聯(lián)軸器、制動器、減速機(jī)的選擇，定滑輪、動滑輪及主要金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要。在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對相關(guān)參數(shù)的取值要慎之又慎，在保證出鋁車安全運(yùn)行的前提下，降低其工程造價(jià)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張質(zhì)文，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國鐵

道出版社，1998.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：起重運(yùn)輸件[M].北京：

化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

作者簡介：高軍永（1981—），男，貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司工程師，碩士，研究方向：非標(biāo)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)。

由于出鋁車輪為偏掛設(shè)計(jì)，所以只有一個(gè)端梁，兩套主動車輪組。車輪的疲勞計(jì)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(jī)正常工作時(shí)的最大輪壓，為208.5kN

Pmin—起重機(jī)正常工作時(shí)的最小輪壓，為68.7kN。

則：kN

車輪踏面接觸強(qiáng)度按線接觸允許輪壓計(jì)算：

式中：

K1—與材料有關(guān)的許用線接觸應(yīng)力常數(shù)，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(zhuǎn)速系數(shù)，C1=1

C2—工作級別系數(shù)，按M7級得C2=0.8

則kN，滿足校核

條件。

3.2 運(yùn)行電機(jī)的功率選擇

運(yùn)行電機(jī)的功率選擇必須首先進(jìn)行出鋁車的運(yùn)行阻力計(jì)算，穩(wěn)定運(yùn)行的阻力Fj一般由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和風(fēng)阻力Fw三項(xiàng)組成。由于出鋁車安裝在室內(nèi)，我們這里不考慮風(fēng)阻力。

摩擦阻力：

式中：

—滾動摩擦系數(shù)，

—車輪軸承摩擦系數(shù)，μ=0.02

—軸承處車輪軸直徑，

—附加摩擦阻力系數(shù)，

則：

坡道阻力：，對于橋式起重機(jī)，

則：

運(yùn)行阻力：

電動機(jī)功率電機(jī)靜功率：

式中：

—小車運(yùn)行速度，

—機(jī)構(gòu)傳動效率，初步估算為0.85

—電動機(jī)個(gè)數(shù)，

則：

電動機(jī)功率kW，其中為考慮到電動機(jī)起動時(shí)慣性影響的功率增大系數(shù)，選擇5.5kW電機(jī)兩個(gè)。

4 結(jié)語

由于篇幅有限，本文主要講述了出鋁車的主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，此外對于聯(lián)軸器、制動器、減速機(jī)的選擇，定滑輪、動滑輪及主要金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要。在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對相關(guān)參數(shù)的取值要慎之又慎，在保證出鋁車安全運(yùn)行的前提下，降低其工程造價(jià)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張質(zhì)文，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國鐵

道出版社，1998.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：起重運(yùn)輸件[M].北京：

化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

作者簡介：高軍永（1981—），男，貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司工程師，碩士，研究方向：非標(biāo)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)。

由于出鋁車輪為偏掛設(shè)計(jì)，所以只有一個(gè)端梁，兩套主動車輪組。車輪的疲勞計(jì)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(jī)正常工作時(shí)的最大輪壓，為208.5kN

Pmin—起重機(jī)正常工作時(shí)的最小輪壓，為68.7kN。

則：kN

車輪踏面接觸強(qiáng)度按線接觸允許輪壓計(jì)算：

式中：

K1—與材料有關(guān)的許用線接觸應(yīng)力常數(shù)，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(zhuǎn)速系數(shù)，C1=1

C2—工作級別系數(shù)，按M7級得C2=0.8

則kN，滿足校核

條件。

3.2 運(yùn)行電機(jī)的功率選擇

運(yùn)行電機(jī)的功率選擇必須首先進(jìn)行出鋁車的運(yùn)行阻力計(jì)算，穩(wěn)定運(yùn)行的阻力Fj一般由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和風(fēng)阻力Fw三項(xiàng)組成。由于出鋁車安裝在室內(nèi)，我們這里不考慮風(fēng)阻力。

摩擦阻力：

式中：

—滾動摩擦系數(shù)，

—車輪軸承摩擦系數(shù)，μ=0.02

—軸承處車輪軸直徑，

—附加摩擦阻力系數(shù)，

則：

坡道阻力：，對于橋式起重機(jī)，

則：

運(yùn)行阻力：

電動機(jī)功率電機(jī)靜功率：

式中：

—小車運(yùn)行速度，

—機(jī)構(gòu)傳動效率，初步估算為0.85

—電動機(jī)個(gè)數(shù)，

則：

電動機(jī)功率kW，其中為考慮到電動機(jī)起動時(shí)慣性影響的功率增大系數(shù)，選擇5.5kW電機(jī)兩個(gè)。

4 結(jié)語

由于篇幅有限，本文主要講述了出鋁車的主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算，此外對于聯(lián)軸器、制動器、減速機(jī)的選擇，定滑輪、動滑輪及主要金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要。在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對相關(guān)參數(shù)的取值要慎之又慎，在保證出鋁車安全運(yùn)行的前提下，降低其工程造價(jià)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張質(zhì)文，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國鐵

道出版社，1998.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：起重運(yùn)輸件[M].北京：

化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

作者簡介：高軍永（1981—），男，貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司工程師，碩士，研究方向：非標(biāo)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)。