500kA电解多功能机组出铝车的设计与计算

摘要：文章主要介绍了500kA电解多功能机组出铝车的设计开发，对出铝车的提升机构及行走机构的主要部件进行了详细的设计计算。贵阳铝镁设计研究院有限公司开发设计的500kA电解多功能机组适应了市场需求，降低了业主的投资成本，改善了工人的生产环境。

关键词：出铝车；起升机构；行走机构

中图分类号：F251 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0007-03

随着电解槽电流的不断加大，电解铝厂的单系列产能的增加，要求配套的出铝抬包的容量逐渐增大。近年来国家对生产安全的重视，电解多功能机组出铝车对其安全性和起重量的要求也越来越高。铝电解车间温度高、粉尘大，其生产过程中的大部分操作需要靠电解多功能机组来完成，其中出铝工序是吊运的熔融金属，其安全性要求极其重要。

1 设计参数

出铝车采用传统的偏挂在大车一侧主梁上面，这样的方案配置可以为业主降低投资，在同一台天车上运行不影响工具小车的靠边等问题，提高力天车运行效率。偏挂方案如图1所示，图中L1=600mm，L2=2085mm。

1.1 规格技术性能

起重量：Q2=28.5吨（出铝抬包自重加装满铝液重量）；

起升速度：1～4.5m/min（变频调速）；

小车行走速度：1～25m/min（变频调速）；

出铝车自重：Q2=14吨（估算）；

出铝小车的机构工作级别根据国家的标准规范，吊运300以上的炽热物品，金属液体、有毒物、易爆品以及其他危险物品的起重机其机构工作级别不应低于M6级。此处出铝车的工作级别取M7级。

1.2 基本计算

为保证出铝小车的安全正常工作，其本身应具备三个基本条件：（1）金属结构和机械零部件应具有足够的强度、刚度和抗屈服能力；（2）整机具有必要的抗倾覆稳定性；（3）电动机具有满足作业性能要求的功率，制动装置提供必要的制动转矩。设计时，首先确定载荷，载荷计算是出铝车设计计算的基础。由图1对整个出铝小车进行受力分析：

F为上水平轮的受力，F'为下水平轮受力。所以：

2 起升机构设计计算

起升机构是起重机中最重要、最基本的机构，其工作的好坏直接影响整台起重机的工作性能。起升机构有内燃机驱动、电动机驱动和液压驱动三种驱动方式。出铝车一般采用电动机驱动方式，此种方式操纵简单，维护容易，机组重量轻，工作可靠。出铝车起升机构由驱动装置（电动机、联轴器、制动器、减速机、卷筒等部件）、钢丝绳卷绕系统（钢丝绳、卷筒、定滑轮和动滑轮）、吊钩和安全保护装置（超负荷限制器、起升高度限图1出铝车偏挂方案制器和超速保护开关）等组成。设计起升机构时需给定的参数有：起重量、工作级别、起升高度和起升速度。

2.1 钢丝绳的设计

钢丝绳是广泛应用于起重机中的挠性构件。它具有承载能力大，卷绕性好，运动平稳无噪声，极少突然断裂，工作可靠等优点。起重机多使用圆形截面的钢丝绳。采用单联滑轮组，钢丝绳的最大静拉力为：

式中：

按安全系数n选择钢丝绳直径：

式中：

F0—所选钢丝绳的破断拉力

n—钢丝绳的最小安全系数，根据工作级别M7级，n=8

则：kN

选取型号为6×36WS+IWR 1770，直径为d=20的钢丝绳，F0=272kN。

2.2 卷筒的设计

卷筒组是起升机构中卷绕钢丝绳的主要部件。根据钢丝绳在卷筒上卷绕的层数分为单层卷绕筒和多层卷绕筒。多层卷绕筒可以减少卷筒长度，使机构紧凑，但钢丝绳磨损加快，工作级别较高者不宜采用。此次设计采用单层双联卷筒，标准槽设计。卷筒名义直径，按工作等级M7级取e=22.4，则

取，并校核卷筒的强度：

式中：

A1—应力减小系数，A1=0.75

A2—多层卷绕系数，A2=1.0

Smax—钢丝绳最大静拉力，因为卷筒为双出绳，此处取为2S

δ—卷筒壁厚，δ=20

p—绳槽节距，p=22

—许用压应力，对钢MPa，卷筒材料为Q345-B。

则，满足校核条件。

2.3 提升电机的功率选择

电机静功率：

式中：

—起升速度，

—机构总效率，初步估算为0.8

则：，电机功率选取为37kW。

2.4 制动器的选择

制动器是保证起重机安全的重要部件，起升机构的每一套独立的驱动装置至少要装设一个支持制动器。出铝车为吊运液体熔融金属，要求每套独立的驱动装置至少应设置两个支持制动器。支持制动器应是常闭式的，制动轮必须装在与传动机构刚性连接的轴上。起升机构制动器的制动转矩必须大于满载抬包加升降部分产生的静转矩，在足够的安全系数下，制动转矩应满足：

式中：

Tz—制动器制动转矩

Kz—制动安全系数，按M7级，取Kz=2

i—传动机构传动比，i=56

则高速轴的制动转矩为：

低速轴的制动转矩为：

3 行走机构设计计算

轨行式运行机构主要由运行支承装置与运行驱动装置两大部分组成。运行支承装置用来承受出铝车的自重及外载荷，并将所有这些载荷传递给轨道及大车主梁，主要包括水平轮、车轮与轨道等。运行驱动装置用来驱动出铝车在轨道上运行，主要由电动机、减速器、制动器等组成。

3.1 车轮的设计

按照车轮踏面与轨道顶部形状，车轮的接触处可能是一条直线，称为线接触，也可能是一个点，称为点接触。线性接触的受力情况较好，但往往由于机构变形和安装误差等因素，线接触的应力分布不尽人意，在起重机运行机构中常常采用点接触结构。车轮所承受的载荷与运行机构传动系统的载荷无关，可直接根据出铝车的外载荷的平衡条件求得。

由于出铝车轮为偏挂设计，所以只有一个端梁，两套主动车轮组。车轮的疲劳计算载荷PC可由出铝车的最大轮压和最小轮压来确定。

式中：

Pmax—起重机正常工作时的最大轮压，为208.5kN

Pmin—起重机正常工作时的最小轮压，为68.7kN。

则：kN

车轮踏面接触强度按线接触允许轮压计算：

式中：

K1—与材料有关的许用线接触应力常数，K1=7.2

D—车轮踏面直径，D=350mm

L—车轮与轨道有效接触长度，L=100mm

C1—转速系数，C1=1

C2—工作级别系数，按M7级得C2=0.8

则kN，满足校核

条件。

3.2 运行电机的功率选择

运行电机的功率选择必须首先进行出铝车的运行阻力计算，稳定运行的阻力Fj一般由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和风阻力Fw三项组成。由于出铝车安装在室内，我们这里不考虑风阻力。

摩擦阻力：

式中：

—滚动摩擦系数，

—车轮轴承摩擦系数，μ=0.02

—轴承处车轮轴直径，

—附加摩擦阻力系数，

则：

坡道阻力：，对于桥式起重机，

则：

运行阻力：

电动机功率电机静功率：

式中：

—小车运行速度，

—机构传动效率，初步估算为0.85

—电动机个数，

则：

电动机功率kW，其中为考虑到电动机起动时惯性影响的功率增大系数，选择5.5kW电机两个。

4 结语

由于篇幅有限，本文主要讲述了出铝车的主要部件的设计计算，此外对于联轴器、制动器、减速机的选择，定滑轮、动滑轮及主要金属结构件的设计也相当重要。在设计工作中应认真总结经验，对相关参数的取值要慎之又慎，在保证出铝车安全运行的前提下，降低其工程造价。

参考文献

[1] 张质文，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁

道出版社，1998.

[2] 成大先.机械设计手册：起重运输件[M].北京：

化学工业出版社，2004.

作者简介：高军永（1981—），男，贵阳铝镁设计研究院有限公司工程师，硕士，研究方向：非标机械设备的设计。

由于出铝车轮为偏挂设计，所以只有一个端梁，两套主动车轮组。车轮的疲劳计算载荷PC可由出铝车的最大轮压和最小轮压来确定。

式中：

Pmax—起重机正常工作时的最大轮压，为208.5kN

Pmin—起重机正常工作时的最小轮压，为68.7kN。

则：kN

车轮踏面接触强度按线接触允许轮压计算：

式中：

K1—与材料有关的许用线接触应力常数，K1=7.2

D—车轮踏面直径，D=350mm

L—车轮与轨道有效接触长度，L=100mm

C1—转速系数，C1=1

C2—工作级别系数，按M7级得C2=0.8

则kN，满足校核

条件。

3.2 运行电机的功率选择

运行电机的功率选择必须首先进行出铝车的运行阻力计算，稳定运行的阻力Fj一般由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和风阻力Fw三项组成。由于出铝车安装在室内，我们这里不考虑风阻力。

摩擦阻力：

式中：

—滚动摩擦系数，

—车轮轴承摩擦系数，μ=0.02

—轴承处车轮轴直径，

—附加摩擦阻力系数，

则：

坡道阻力：，对于桥式起重机，

则：

运行阻力：

电动机功率电机静功率：

式中：

—小车运行速度，

—机构传动效率，初步估算为0.85

—电动机个数，

则：

电动机功率kW，其中为考虑到电动机起动时惯性影响的功率增大系数，选择5.5kW电机两个。

4 结语

由于篇幅有限，本文主要讲述了出铝车的主要部件的设计计算，此外对于联轴器、制动器、减速机的选择，定滑轮、动滑轮及主要金属结构件的设计也相当重要。在设计工作中应认真总结经验，对相关参数的取值要慎之又慎，在保证出铝车安全运行的前提下，降低其工程造价。

参考文献

[1] 张质文，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁

道出版社，1998.

[2] 成大先.机械设计手册：起重运输件[M].北京：

化学工业出版社，2004.

作者简介：高军永（1981—），男，贵阳铝镁设计研究院有限公司工程师，硕士，研究方向：非标机械设备的设计。

由于出铝车轮为偏挂设计，所以只有一个端梁，两套主动车轮组。车轮的疲劳计算载荷PC可由出铝车的最大轮压和最小轮压来确定。

式中：

Pmax—起重机正常工作时的最大轮压，为208.5kN

Pmin—起重机正常工作时的最小轮压，为68.7kN。

则：kN

车轮踏面接触强度按线接触允许轮压计算：

式中：

K1—与材料有关的许用线接触应力常数，K1=7.2

D—车轮踏面直径，D=350mm

L—车轮与轨道有效接触长度，L=100mm

C1—转速系数，C1=1

C2—工作级别系数，按M7级得C2=0.8

则kN，满足校核

条件。

3.2 运行电机的功率选择

运行电机的功率选择必须首先进行出铝车的运行阻力计算，稳定运行的阻力Fj一般由摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp和风阻力Fw三项组成。由于出铝车安装在室内，我们这里不考虑风阻力。

摩擦阻力：

式中：

—滚动摩擦系数，

—车轮轴承摩擦系数，μ=0.02

—轴承处车轮轴直径，

—附加摩擦阻力系数，

则：

坡道阻力：，对于桥式起重机，

则：

运行阻力：

电动机功率电机静功率：

式中：

—小车运行速度，

—机构传动效率，初步估算为0.85

—电动机个数，

则：

电动机功率kW，其中为考虑到电动机起动时惯性影响的功率增大系数，选择5.5kW电机两个。

4 结语

由于篇幅有限，本文主要讲述了出铝车的主要部件的设计计算，此外对于联轴器、制动器、减速机的选择，定滑轮、动滑轮及主要金属结构件的设计也相当重要。在设计工作中应认真总结经验，对相关参数的取值要慎之又慎，在保证出铝车安全运行的前提下，降低其工程造价。

参考文献

[1] 张质文，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁

道出版社，1998.

[2] 成大先.机械设计手册：起重运输件[M].北京：

化学工业出版社，2004.

作者简介：高军永（1981—），男，贵阳铝镁设计研究院有限公司工程师，硕士，研究方向：非标机械设备的设计。