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中間罐小車設計
摘要
中間罐小車是在澆鑄平臺上起到放置和運送中間罐的作用。在澆鑄前，小車載著烘烤好的中間罐開至結晶器上方，使中間罐水口對準結晶器中心或寬度方向的對稱位置（當結晶器需要兩個以上水口同時鑄鋼時）。澆鑄完畢或發(fā)生事故不能繼續(xù)澆鑄時，它載著中間罐迅速離開澆鑄位置。
中間罐車的設計與一般車輛的設計相比，相同之處在于必須有堅固的車架及可靠的運行機構和必要的輔助裝置，不同之處在于應該滿足連鑄工藝的技術要求和操作要求，適應高溫工作等特定條件。
本設計主要參考了包鋼集團公司方坯連鑄連軋廠的中間罐車，對中間罐車完成不同功能的幾個重要機構進行了設計，主要包括：車架，行走機構，橫向微調機構以及輔助裝置的設計。車架的設計主要根據車間的布置和中間罐車的承載能力，對車架的材料選擇并對車架的形式及長，寬，高進行設計。行走機構的設計主要根據中間罐車的承載能力，運行特點和車輪材料的選擇，電動機和車輪的設計等。橫向微調機構除了對液壓裝置的選取外，還設計了橫梁形式和支承方式。輔助裝置主要根據以上的設計和實際情況，對某些機構進一步補充和優(yōu)化，具體見裝配圖。
關鍵詞： 門型 兩側驅動 液壓驅動
The design of the tundish car
Abstract
The tundish car is used for laying and transporting tundish on the casting platform. Before casting, the tundish car carries the well-baked tundish to the top of the mold, and makes the tundish’s outlet align the center or the symmetrical position of the width of the mold(When the mold needs two or more outlet to cast at the same time). When the casting finishes or an accident occurs while it can not continue to cast, it quickly leaves the casting position carrying the tundish.
Compared with the design of the design of the common vehicles, the design of the tundish car also needs solid rack reliable operation institutions and necessary assistive devices, but the differences lie that the tundish car should meet the technical and operational requirements of the continuous casting process and adapt to specific conditions such as high-temperature working environment.
The design of the main reference to the Baotou Steel Group Company billet continuous casting and rolling plant in the middle of tankers, tanker perform different functions on the middle of several important design institutions, including: frame, running gear, horizontal fine institutions and assistive devices. The design of the frame is mainly based on the layout of the workshop and the carrying capacity of the tundish, and then choose the material of it and design its form, length, width as well as height. The walking mechanism’s design is mainly based on the carrying capacity and operating characteristics of the tundish car, choose material of the wheel and electric motor, and then design the wheel. The design of the lifting mechanism is mainly the selection of the hydraulic devices as well as the calculation and design of the hydraulic system. While for the design of the horizontal adjustment mechanism, not only select the hydraulic devices, but also design the form of the beams and its way of bearing. The design of the assistive devices are mainly based on the above design and the actual situation, make further complement and optimization, please look them on the assembly drawings.
Keywords: door-type; bilateral driving; hydraulic driving
目 錄
摘要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 概要 1
1.1.1 中間罐車設計要求 1
1.1.2 中間罐車型式 1
1.2 中間罐車的結構及特征 3
1.2.1 車架 3
1.2.2 行走機構 3
1.2.3 提升機構 5
1.2.4 橫向微調機構 5
1.2.5 稱量機構 6
1.2.6 電纜卷筒 6
1.3 中間罐車的問題和改進 6
1.3.1 中間罐車常見的問題 6
1.3.2 中間罐車設計的改進 8
第二章 中間罐車的基本設計參數(shù)及方案 10
2.1 中間罐車的基本設計參數(shù) 10
2.2 設計方案及其選擇 10
第三章 車架的設計 12
第四章 行走機構的設計計算 14
4.1 載荷和輪壓的計算 14
4.1.1 載荷計算 14
4.1.2 輪壓計算 14
4.2 車輪設計 16
4.2.1 車輪踏面疲勞載荷計算 16
4.2.2 車輪直徑的選擇 16
4.2.3 車輪轉速計算 17
4.2.4 車輪校核 17
4.2.5 軌道的選擇 17
4.3 運行阻力的計算 17
4.3.1 運行時摩擦阻力的計算 17
4.3.2 軌道彎曲變形引起的附加阻力計算 18
4.3.3 電纜拖鏈阻力計算 18
4.3.4 啟動慣性阻力計算 19
4.3.5 運行阻力計算 19
4.4 行走機構傳動功率計算 20
4.4.1 運行靜功率計算 20
4.4.2 啟動功率計算 20
4.5 電動機的選取及校核 20
4.5.1 電動機的選擇 20
4.5.2 電動機的校核 21
4.6 傳動機構的傳動比計算 22
4.7 減速器、聯(lián)軸器的選擇 22
4.7.1 減速器的選擇 22
4.7.2 聯(lián)軸器的選擇 23
第五章 提升機構的設計計算 24
5.1 液壓缸的選擇及校核 24
5.1.1 液壓缸的選擇 24
5.1.2 液壓缸工作壓力的選取 25
5.1.3 液壓缸的校核 25
5.2 液壓系統(tǒng)的計算 25
5.2.1 系統(tǒng)流量的計算 25
5.2.2 泵站電機功率的計算 26
5.3 液壓系統(tǒng)的設計 26
5.3.1 液壓系統(tǒng)的描述 26
5.3.2 液壓泵站連鎖控制 26
5.3.3 升降液壓缸的控制 27
第六章 橫向微調機構的設計計算 28
6.1 橫向微調負載的計算 28
6.2 液壓缸的選取 28
6.3 液壓缸的工作壓力的選擇 28
6.4 液壓缸的校核 29
6.5 中間罐支承梁的設計 29
第七章 中間罐小車三維建模設計 31
7.1 零部件三維建模設計 31
7.1.1 車輪 31
7.1.3 電動機 32
7.1.4 減速器 32
7.1.5 聯(lián)軸器 33
7.1.6 悶蓋 33
7.1.7 透蓋 33
7.1.8 水口對中裝置 34
7.1.9 支撐裝置 34
7.1.10 制動器 35
7.1.11 中間罐 35
7.1.12 中間罐蓋 36
7.1.13 軸承座 36
7.1.14 從動輪裝配體 37
7.1.15 主動輪裝配體 37
7.2 中間罐小車三維裝配設計 37
7.2.1 中間罐小車三維裝配 37
7.2.2 二維圖紙應用 38
7.3 三維設計對于生產實際的意義 39
總結 40
致謝 41
參考文獻 42
45
第一章 緒論
1.1 概要
中間罐車作為中間罐運輸和承載設備，是連鑄設備中的一個重要設備。工作時，在澆鑄平臺上將烘烤好中間罐的從準備位置運送到澆鑄位置，利用行走機構，提升機構，橫向微調裝置使中間罐水口與結晶器水口對中，然后進行澆鑄。該設備主要由以下八部分組成：車架，行走機構，提升機構，橫向微調機構，稱量裝置，電纜卷筒，防護裝置和操作平臺。
1.1.1 中間罐車設計要求
結合中間罐車的操作要求，其設計要求如下：
1. 中間罐車運行迅速，平穩(wěn)，停位準確，安全可靠。
2. 中間罐水口與結晶器水口對中靈活快捷，更換水口方便。
3. 中間罐車的結構設計要簡單，結晶器上面的操作空間和視野范圍較大，便于操作人員觀察結晶器內液位，操作方便，還應保證中間罐吊裝和就位便利。
4.車架結構必須有足夠的強度和剛度，充分考慮熱輻射及鋼夜噴濺的影響，保證小車在熱負荷下工作性能良好，并設置相應的保護罩以防止熱輻射及鋼水飛濺損傷設備。特別是在車體上裝有液壓系統(tǒng)時，液壓元件和管路要有可靠的保護措施。
5.當采用無氧化澆鑄和自動控制時，中間罐應設置提升和稱量裝置，并能根據鑄造情況實時調整出鋼量。
6.事故時可迅速開動中間罐車至事故位放渣。
1.1.2 中間罐車型式
現(xiàn)代生產條件下，隨著連鑄工藝和技術的發(fā)展，中間罐車發(fā)展了多種形式，按中間罐升降位置分，可分為升降式和普通式；按行走機構的傳動方式，可分為集中和分散驅動兩種；按中間罐車運行軌道的布置和中間罐相對小車主梁位置分，可分為門型，半門型，懸臂型和懸掛型的型式，其中主要以門型和懸臂型為主。
1. 門型中間罐車
門型中間罐車的主要特點是：澆鑄時中間罐水口位于小車主梁之內，即結晶器位于小車運行軌道之間。其重心處于車框中，穩(wěn)定，易于實現(xiàn)中間罐升降，但對結晶器內鋼液面的觀察和有些操作不便。門型中間罐車適用于大型連鑄機。
2. 半門型中間罐車
為了便于操作人員靠近結晶器，出現(xiàn)了半門型中間罐車。半門型中間罐車與門型中間罐車的區(qū)別在于靠近結晶器內弧軌道不是布置在澆鑄平臺上的，而是布置在澆鑄平臺上方的軌道梁上，從而空出了操作平臺的部分地方，改善了操作條件。在半門型的基礎上，有的把中間罐的兩條軌道均架設在澆鑄平臺操作區(qū)上方的鋼結構梁上，呈架空布置，使?jié)茶T平臺得到充分利用，但這種布置需增設專用軌道梁，從而增加了造價，現(xiàn)在基本不用了。
3. 懸臂型中間罐車
懸臂型中間罐車的主要特點是中間罐水口位于小車主梁之外，小車的兩條軌道均布置在結晶器的外弧側。由于布置關系，一般軌矩較窄。中間罐在小車的放置有兩種形式:一種是中間罐放在小車上，其長度方向與小車運行軌道方向垂直；另一種是整個中間罐懸置于車體之外，罐體的長度方向與小車運行軌道方向一致，兩條軌道分別布置在澆鑄平臺上和其上方的軌道上。
由于中間罐罐體部分或全部懸掛于車體外，使小車受偏心載荷造成的傾翻力矩，車輪受力非常不均勻，影響小車運行的穩(wěn)定性。必須在車體上布置平衡重或在外側車輪上增設護軌，來平衡傾翻力矩。
采用這種形式的中間罐在澆鑄時，小車位于結晶器的一側，便于觀察結晶器內鋼液面和澆鑄操作，結構簡單，但穩(wěn)定性差。
4. 懸掛型中間罐車
懸掛型中間罐車，中間罐水口也是伸出車體之外，小車的運行軌道都在高架梁上，對澆注平臺的影響最小，操作方便，但穩(wěn)定性最差。
懸臂型和懸掛型中間罐車只適用于生產小斷面鋼坯的連鑄機。
此外，還有環(huán)行式和龍門型中間罐車。在實際設計工作中，采用何種形式需要根據工程的具體情況確定。不同的車間布置，生產能力，操作方式及近些年來為提高鑄坯質量和產量附加于中間罐車上的輔助設備，所選形式就不同，往往是各種形式的綜合體現(xiàn)。
1.2 中間罐車的結構及特征
中間罐車一般由車架，行走機構，提升機構，橫向微調機構，稱量裝置及輔助裝置等組成。
根據澆鑄鋼種和提高鑄坯質量的要求, 有的中間罐車上還裝有等離子加熱導電裝置, 結晶器加保護渣裝置等輔助設備。
1.2.1 車架
為了便于操作，車架采用門型結構，其開口側在澆鑄工人的操作面。為了加強剛性，車架梁采用箱型結構，橫梁、立柱及主梁連接部位增設加強板，車架的左視圖為門型，形成了車架的異型結構與復雜受力狀況。
中間罐車的車架用于支撐中間罐, 安裝和固定行走機構、升降機構、橫向微調機構、稱量裝置及輔助設備等。以往生產小方坯的中間罐車車架多采用門型結構, 其開口側在澆注工的操作側。目前常采用的半高架式、高架式及全懸掛式中間罐車的車架由于將軌道架起, 克服了操作不便的特點, 車架均采用箱型結構, 在主梁和橫梁連接處用鋼板或型鋼加強, 大大增加了車體的剛性。通常車架全部采用焊接結構。
此外，在車架上還設置有供操作人員觀察中間罐液面位置及供其他設備安裝操作用的平臺、走臺、防熱輻射和鋼水飛濺用的防護裝置。同時在結構設計中還要充分重視供線電路及液壓回路的布線，既要布線方便，又要保證管線能得到充分保護。
1.2.2 行走機構
中間罐車的行走機構通常采用電動機驅動。根據車架結構，為使行走機構傳動平穩(wěn)，將主動輪和傳動裝置布置在主梁的一側，主動輪為雙緣輪，起導向作用。中間罐車運行時一般有快慢兩種行走速度：快速主要用于將中間罐由烘烤位運送到澆鑄位置或發(fā)生事故時逃離；慢速用于啟、制動及中間罐水口與結晶器對中。一般快速為15-20m/min, 慢速為1-2m/min。
1.行走機構的變速方式
為實現(xiàn)兩種速度的轉換,行走機構的變速有以下三種方式。
（1）雙交流電動機組變速方式
通過減速裝置將兩臺帶制動器的快、慢速電動機串聯(lián)起來，快速運轉時快速電動機打開，與慢速電動機斷開；但在慢速電動機運轉時，通過快速電動機的制動器及電樞傳動懸掛減速器，再驅動車輪運行。這種方式增加了裝置復雜性。
（2）雙輸入軸行星減速方式
采用兩臺交流電機驅動行星減速器，減速器的兩個主動軸分別與兩臺帶制動器的交流電機相連。當快速電機接電時，其制動器打開（慢速電機不接電，其制動器閉合），快速電機轉動，使行星輪繞中心旋轉，實現(xiàn)快速驅動。當慢速電機接電，其制動器打開（快速電機不接電，其制動器閉合），慢速電機轉動，通過兩級圓柱齒輪使行星輪繞與快速電機相連的中心輪旋轉，實現(xiàn)慢速驅動。這種結構比較復雜，維護不便。
（3）變頻調速方式
此方式是近年來, 尤其是引進設備多采用的一種變速方式。它是通過變頻調速的方法帶動常規(guī)減速器以獲得快慢兩種速度, 使機構得到簡化。有時, 為了操作方便在傳動機構上裝有手輪, 在與結晶器對中時還可以采用手動方式。
2.行走機構驅動方式
中間罐車行走機構的驅動方式有三種:
（1）單側驅動
每套傳動機構驅動一個主動車輪。在不影響操作人員操作的前提下, 傳動機構盡量布置在結晶器內弧側。此種傳動方式省去了兩個車輪的連接軸, 使車架底部有足夠的空間跨過結晶器。由于車架本身采用箱形結構, 即使是容量較大的中間罐車也能保證運行的平穩(wěn)可靠，一般門型中間罐車多采用這種方式。
（2）雙側集中驅動
由一臺電機集中驅動兩側車輪，當采用集中驅動時, 驅動兩個主動車輪的橫軸必須通過鏈輪、鏈條或齒輪帶動車輪, 并將橫軸倒換至較高位置, 讓出車架下部空間（使其能跨過結晶器）。
（3）兩側單獨驅動
由兩臺電動機分別驅動兩側車輪，這種方式會增加中間罐車的橫向寬度，對操作人員的操作有影響。
無論采用哪種驅動方式, 為保護行走機構, 防止由于溢鋼或鋼水飛濺燒損傳動裝置, 傳動裝置上方必須安裝保護罩。
1.2.3 提升機構
當采用浸入式水口或低液面進行保護澆鑄時, 為了調整水口插入結晶器的深度, 必須設有中間罐提升機構。提升行程通常為450-750mm, 提升速度一般為1.2-2.4m/min。
中間罐提升有電動提升和液壓提升兩種方式。
1.電動提升
一般采用蝸輪蝸桿螺母絲杠的傳動方式驅動支撐中間罐的提升框架。絲杠可采用普通梯形螺紋，也可采用滾珠絲杠。每套提升機構要求配有兩根絲杠，由兩套傳動機構分別驅動同側的兩個絲杠, 并用同步軸將兩套傳動機構連起來。
電動提升方式結構復雜, 對加工精度和安裝精度的要求都較高。
2.液壓提升
采用四個液壓缸位于提升框架的四個支點，用液壓同步馬達保證四個液壓缸的同步升降。液壓提升方式比電動提升方式使車體簡化,維護方便 ，但液壓設備調整較復雜。
1.2.4 橫向微調機構
用于中間罐水口與結晶器的對中。一般有三種方式, 即手動、電動機驅動及液壓缸傳動。其原理均為通過移動支撐中間罐耳軸的支撐座來調整中間罐的位置, 以達到水口與結晶器對中的目的。對于承載能力較大的中間罐車，一般采用液壓缸驅動。
橫向微調的行程通常為100-600mm。
1.2.5 稱量機構
為了控制中間罐的液面高度, 實時控制澆鑄過程中中間罐內鋼水的容量,中間罐車上還裝有稱量系統(tǒng)。
在中間罐車上中間罐耳軸支撐座下方分別裝有四個測力傳感器 （稱量壓頭）。利用壓力變化引起磁性材料磁導率的變化使輸出電信號與壓力（重量）成正比，以顯示中間罐內鋼水的容量。為防止吊放中間罐時或中間罐車啟、制動時對傳感器帶來的損害，保證測力傳感器的測量精度， 在稱量裝置上通常裝有高強度的硅橡膠襯套。
1.2.6 電纜卷筒
中間罐車的輸電電纜是通過電纜卷筒傳送的。卷筒內裝有發(fā)條彈簧，一端固定在卷筒上，另一端固定在卷筒軸上，卷筒和軸之間沒有固定，可以相對轉動。當電纜從卷筒拖出時，卷筒旋轉施發(fā)條儲能，卷筒反轉，電纜自動卷起。卷筒端帶有滑環(huán)和電刷，使電流從轉動的卷筒上的電纜送往卷筒軸孔內的固定電纜，從而輸送到電控箱。
1.3 中間罐車的問題和改進
由于中間罐長期處于高溫狀態(tài)下，工作環(huán)境惡劣，中間罐車的性能直接影響連鑄機的正常運行及連鑄機的壽命和產量。
1.3.1 中間罐車常見的問題
結合國內一些鋼廠連鑄機中間罐車實際使用情況，發(fā)現(xiàn)目前國內外各種機型連鑄機的中間罐車普遍存在一些設計上的缺陷，給中間罐車的使用和維護帶來了諸多麻煩，主要問題如下：
1.傳統(tǒng)中間罐車的設計，其升降機構為機械升降或液壓升降。中間罐提升時，為保證四個立柱升降運動的同步，機械升降采用同步軸，而液壓升降采用分流閥控制，升降立柱為箱形焊接結構，升降立柱與車架之間相對運動的導向是通過四周的襯板進行的。
在使用過程中，由于車架受熱變形的影響及四個升降立柱與襯板的間隙難以保持一致，因此，常發(fā)生卡阻現(xiàn)象，造成升降同步誤差大。
2.當設計將中間罐車的承載中心與車輪中心在同一軸線上時，中間罐耳軸在高溫狀態(tài)下使用產生變形，使中間罐對其支承橫梁產生側向分力，承載立柱在中間罐的側向分力作用下產生扭矩，行走車架在此扭矩作用下產生向上的彎曲變形（圖1.1）。
圖1.1 中間罐小車受力簡圖
1—行走車輪；2—承載立柱；3—行走車架
3.當中間罐車承載中心與中間罐車行走車輪有一相對距離L時，當扭矩大于時，行走車架產生向下彎曲變形，嚴重時車輪將無法正常著地，造車中間罐車無法正常行走（圖1.2）。
圖1.2 中間罐小車受力簡圖
1—行走車輪；2—承載立柱；3—行走車架
4.前后車架受損嚴重主要是因為所有中間罐承載支撐均設計在車架上，行走時橫梁單薄，極易造成扭車現(xiàn)象。
1.3.2 中間罐車設計的改進
中間罐由于長期處于高溫狀態(tài)下，其耳軸在鋼水高溫熱輻射影響下，其持久極限值急劇下降，逐漸產生彎曲變形。因此，中間罐耳軸與中間罐車橫梁支承點的接觸、受力發(fā)生變化，由理論的豎直向下的正應力。由于支撐點較高，力臂較長，該側向分應力形成了較大的變形力矩，使中間罐發(fā)生嚴重的扭轉變形，最終導致無法正常工作。
為了克服側向力矩造成的扭轉變形，采取力矩平衡法，經過反復核算，合理地確定中間罐承載中心與車輪支承中心的距離L ，減少側向分力的力臂，同時由于位置的改變，產生一個反向支承力矩，從而達到了力矩的平衡，減少側向力產生的力矩對車架造成的彎曲變形（ 圖1.3）。
圖1.3 中間罐小車受力簡圖
1—行走車輪；2—承載立柱；3—行走車架
式中 —垂直載荷
—側向分力
—支承點到行走車輪中心距離
—偏移距離
為確定偏移距離L ，關鍵是正確確定側向分力。
原來的設計中，鋼水載荷是直接作用在車架上的，在長期作用下，受交變應力的影響，車架會逐漸產生變形。改進設計是將橫梁擴展為平臺橫梁，載荷布置在平臺橫梁上，再將平臺橫梁壓在前后車架上，使前后車架承受的是由平臺橫梁傳下來的均布載荷，消除交變應力點，載荷壓強隨之減少，使車架受交變應力產生的變形也降低了。同時，克服了前后車架行走時產生的扭車現(xiàn)象，增加了前后車架的使用壽命，并為操作和維修提供方便。
中間罐車原始設計均采用方柱滑槽導向，由于升降導致滑槽中心與液壓缸支承中心不在同一線上，產生一個不平衡力矩的側向力矩，并且導向間隙較大，所以在使用中極易產生卡阻及不同步現(xiàn)象。為確保橫梁升降同步，以往把希望寄托在同步閥上，沒有對機械導向進行太多的設計，認為有了同步閥就能保證同步，實踐證明，再好的同步閥在沒有受到很好的機械導向控制時，也很難達到所要求的同步精度。為此，在設計時選用從意大利進口的分流閥來實現(xiàn)液壓缸的同步運動，對機械導向進行了全新的設計。通過采用圓柱導向，選取適當?shù)呐浜希⑼庵靡簤焊滓浦翆蛄⒅醒?，使液壓缸與受力點在同一中心線上，不產生力矩，從而消除了升降卡阻現(xiàn)象，提高了升降同步精度。液壓缸在設計時采用了緩沖裝置，使中間罐升降平穩(wěn)，并且使液壓缸得到很好的保護。
通過對后車架的反復核算，在確保強度和剛度的前提下，縮小后車架的寬度，減少迎水面的面積，把頂部做成15°的斜面，并采取加蓋不銹鋼板的方法，使其不易粘鋼。另外，將鋼板的厚度增加到30mm，提高了抗燒蝕強度，確保使用壽命。車體設計成組合式，具有很好的加工工藝性和裝配工藝性，并為以后的使用和維護提供方便。車載采用獨立液壓站，提高了中間罐車的操作靈活性和機動性，滿足了現(xiàn)場生產的需求。所有管線均采用暗藏式布置，使其整齊、美觀、安全、不易損壞。
在設計中引入了工業(yè)設計理念，對中間罐車的外觀造型進行綜合設計，將橫梁兩端設計成方形，與車體的線條相映襯，給人一種簡潔、明快、氣派的感覺。
第二章 中間罐車的基本設計參數(shù)及方案
2.1 中間罐車的基本設計參數(shù)
中間罐車的基本設計參數(shù)如下表2.1所示。
表2.1 中間罐車基本設計參數(shù)
名稱
數(shù)值
單位
負載能力
120
t
步行距離
18
m
步行速度
19
m/min
提升高度
500
mm
緩行距離
1.5
m/min
提升速度
2.4
m/min
中間罐車自重根據已使用的中間罐車可初步定為46.0t，中間罐質量為35t，中間罐蓋質量為6t，鋼水質量為65t（溢流位），正常工作時為60t，其他附件（如塞棒等）約為5t，故中間罐總質量為111t（溢流位），中間罐車的總質量為157t，中間罐軌距L=6600mm，鋼水液位高度為1000mm，正常工作時為900mm中間罐水口流數(shù)為6流，流間距為1650mm。
2.2 設計方案及其選擇
中間罐車設計的不同之處主要體現(xiàn)在車架，行走機構，提升機構及橫向微調機構上，這些機構的不同組合即為中間罐車的設計方案。
如前所述，中間罐車有門型，半門型，懸臂型，懸掛型等形式，車架可以做成相應的形式。由于本設計中間罐車的負荷能力較大，故選擇門型車架。
行走機構有單側驅動，雙側集中驅動和兩側單獨驅動三種方式，按照現(xiàn)有的生產經驗，選擇兩側單獨驅動，由兩臺電機分別帶動操作側的兩套傳動裝置驅動中間罐行走。
提升機構有電動提升和液壓提升兩種，電動提升的加工精度和安裝精度較高，結構較復雜，維護不便，故這里選擇液壓提升，由液壓缸來控制中間罐升降。
同樣，本著是結構簡單的目的，橫移機構采用液壓缸來調節(jié)中間罐與結晶器的橫向相對位置。
綜上，本設計方案為：車架采用門型，行走機構采用電機雙側單獨驅動，提升機構采用液壓升降，橫向微調機構采用液壓缸控制。技術性能見下表。
表2.2 中間罐車技術參數(shù)
技術性能
中間罐水口流數(shù)
6流
流間距
1650mm
承載能力
120t
軌距
6600mm
行
走
機
構
傳動電機
型號
YH16L-6
功率
112KW
額定轉速
890r/min
同軸圓柱齒輪減速器
速比125
行走速度
快速
19m/min
慢速
1.5m/min
車輪直徑
850mm
提 升
機
構
傳動形式
液壓（180/125800）
行程
500mm
速度
2.4m/min
橫向微調機構
傳動形式
液壓（50/36×160）
調整范圍
80mm
拖鏈裝置
( 靠近操作側)
第三章 車架的設計
根據工藝布置和操作要求，中間罐車可以設計成各種不同形式，按照中間罐水口相對于中間罐車主梁位置及中間罐車運行軌道的布置方式，車架有門型，半門型，懸臂型和懸掛型四種主要方式。門型中間罐車的車架見下圖3.1所示。
圖3.1 門型中間罐車車架
門型中間罐車所在中間罐的水口位于罐體主梁之內，小車騎跨在結晶器的上方，也即中間罐車的兩條軌道分別布置在結晶器內外弧的兩側。兩條軌道均鋪設在澆鑄平臺上，而且軌道的標高與澆鑄平臺的標高一致。由于中間罐的重心位于兩條軌道之間，所有車輪均受壓，合理設計尺寸，可以使輪壓的分布更趨均勻。
車架用于支撐中間罐，安裝和固定各種傳動裝置及溢流槽等，而且還要考慮在車架上安裝塞棒啟閉機構，液壓站等。車架均采用鋼板和型鋼焊接而成，材料初步選擇Q235鋼。為了保證車架的強度和剛度，車架各梁柱都采用箱型結構，在其連接處用鋼板后或型鋼加強連接。
實際生產中，中間罐車的車架所用鋼板厚度一般為20—30mm，本設計中中間罐承載60t鋼水，故鋼板厚度可選20mm和30mm兩種，加強筋厚度12mm。為了方便安裝并且在發(fā)生事故時易于檢修和維護，中間罐車在組裝時以部件裝配。因此，車架上應焊接液壓缸支座、電動機底座和立柱底座，并在其上部加工出相應的連接螺栓孔。
根據中間罐的容量，確定車架的總長和寬度如下：
車架主梁長度：7300mm
車架橫梁長度：5945mm
車架部分具體尺寸見車架裝配圖。
第四章 行走機構的設計計算
門型中間罐車的行走機構采用雙側單獨驅動，即每套傳動機構驅動一個主動輪，這樣可以省去橫軸，以便讓出車架底部空間，使車架可以跨過結晶器運行。
4.1 載荷和輪壓的計算
4.1.1 載荷計算
已知中間罐滿罐質量為Q=111t，中間罐車質量為G=46t。
中間罐車計算重量為:
G'=GY
中間罐滿罐計算重量為：
Q'=QC
4.1.2 輪壓計算
中間罐車車架及車輪相對位置見下圖4.1
圖4.1 中間罐車車架及車輪的相對位置
圖中各參數(shù)的意義如下：
A—罐體中心線至主動輪中心線的距離，mm
B—罐體中心線至從動輪中心線的距離，mm
C—車體中心線至主動輪中心線的距離，mm
D—車體中心線至從動輪中心線的距離，mm
L—軌距
1.主動輪壓計算
有資料，根據車架受力平衡方程式，可得輪壓計算公式為：
P=(G'gD+Q'gB)/2L
（1）中間罐滿罐時 ，主動輪輪壓為
=498.74KN
（2）中間罐空罐時，主動輪輪壓為
此時，中間罐質量為 =35+6+5=46t
中間罐的計算重量為
C
=279.17KN
2. 從動輪輪壓計算
（1） 中間罐滿罐時，從動輪輪壓為
=510.66KN
（2）中間罐空罐時，從動輪輪壓為
=284.34KN
4.2 車輪設計
4.2.1 車輪踏面疲勞載荷計算
由資料查得，車輪踏面疲勞計算載荷的計算公式為
式中： —車輪踏面疲勞計算載荷;
— 設備正常工作時最大輪壓，= ;
—設備正常工作時最小輪壓，= ;
則
= 433.50KN
4.2.2 車輪直徑的選擇
由資料查得，車輪直徑計算公式為：
式中：
-與材料有關的作用線或點接觸應力常數(shù)，這里為先接觸應力常數(shù)，=7.2 ，單位N/mm；
-車輪與軌道有效接觸長度，=100mm;
-轉速系數(shù)，=1.14;
-工作級別， =1.0;
則 =529mm
選取車輪直徑為 D=850mm，車輪為雙輪緣。
4.2.3 車輪轉速計算
n=V/pD=19/（3.140.85）=7.12r/min
4.2.4 車輪校核
車輪的直徑為D=850mm 接觸線長度L=100mm，材質為42GrMo4V，其屈服極限?б=930MPa，材料系數(shù)為K=7.2，車輪轉速n=5.6r/min，轉速系數(shù)C=1.14，工作級別系數(shù) C=1.0。
車輪踏面疲勞強度計算：
P=KDCC
=7.28501001.141.0
=697.68KN> 433.50KN
因此，車輪滿足要求。
對車輪踏面進行表面淬火，淬火層深度16mm，強度340-360HBS。
4.2.5 軌道的選擇
由資料，選取軌道型號QU100。
4.3 運行阻力的計算
中間罐車運行時，除了需要克服摩擦阻力，啟動時的慣性阻力外，還要克服軌道彎曲變形引起的附加阻力以及電纜拖鏈引起的附加阻力。
4.3.1 運行時摩擦阻力的計算
摩擦阻力計算公式為：
W=2(Q+φG)g/D(μd/2+f)β
式中：
W—摩擦阻力，KN；
Q—中間罐滿罐重量，kg；
G—中間罐車體重量，kg；
g—地球重力系數(shù)，g=9.8N/kg；
φ—中間罐自重系數(shù)，φ=1.2；
D—車輪直徑， cm；
μ—軸承摩擦系數(shù)，μ=0.02；
d—軸承直徑， d=（d+d）/2=（16+29）/2=22.5cm；
f—車輪在軌道上滾動摩擦系數(shù)，0.05-0.08，取f=0.07；
β—考慮輪緣與軌道摩擦的附加阻力系數(shù)，β=1.25；
則 W= 2（111+461.2）9.8/85(0.0222.5/2+0.07)1.25
=14.13KN
4.3.2 軌道彎曲變形引起的附加阻力計算
由于中間罐車是在鋼結構平臺上運行，軌道鋪設在平臺梁上，一般結構平臺不可避免的產生一定的撓度。
軌道彎曲變形引起的附加阻力計算公式為：
W=(Q+φG)gλ
式中：λ- 軌道彎曲變形引起的附加阻力系數(shù)，λ=0.001；
則 W=（111+1.246）9.80.001
=1.63KN
4.3.3 電纜拖鏈阻力計算
電纜拖鏈阻力的計算公式為： W=0.5lq
式中： l—電纜拖鏈長度 ，l=18m；
q—電纜拖鏈平均每米引起的附加載荷，q=600N/m；
則 W=0.518600
=5.4KN
4.3.4 啟動慣性阻力計算
啟動慣性阻力計算公式為：
W=(Q+φG) V/t
式中：
V—中間罐運行速度，m/s；
t—啟動時間，2—4s，取t=3s；
則 W=（111+461.2）19/（360）
=17.54KN
4.3.5 運行阻力計算
中間罐正常啟動的靜阻力：
W=W+ W+W
= 14.13+1.63 +5.4
=21.16KN
中間罐啟動加速時的總阻力：
W= W+W
=21.16+17.54
=38.70KN
有時為了簡化計算，靜阻力可僅考慮W，但考慮到軌道彎曲變形及電纜拖鏈的影響，在計算W時，附加阻力系數(shù)β應加大，取β=1.35-2.5。
此外，中間罐車的運行的靜阻力也可按照德馬克公司推薦的經驗公式計算：
W=(Q+φG)gK
式中： K=15KN；
則 W=(111+1.246)9.815/1000
=30.94KN
由此可見，兩種方式計算的W差值不大。
4.4 行走機構傳動功率計算
4.4.1 運行靜功率計算
運行靜功率計算公式為：
N=WV/60η
式中:
W—中間罐車正常工作時的靜阻力，KN；
V—中間罐車的運行速度，m/min；
η—傳動機構的總效率，0.75-0,85，取η=0.8；
則
N= （21.1619） / （600.8）=8.61KW
4.4.2 啟動功率計算
行走機構啟動時的總功率：
N=WV/60η
=（38.7019）/（600.8）
=15.32KW
4.5 電動機的選取及校核
4.5.1 電動機的選擇
電動機的選擇按照計算所需要的靜功率來初選電動機的額定功率，且N>N ，然后用電動機的平均啟動功率N來驗算啟動時的總功率，只有在NN時，所選電動機才滿足要求。
初選電動機的計算功率為： N=KN
式中：K—電動機功率增大系數(shù)，K=1.1；
則
N=1.1*8.61=9.47KW
由資料，選取電動機型號為：YH160L—6
其技術參數(shù)如下：
額定功率： N=11KW；
同步轉速： n=890r/min;
電流： I=25.8A;
功率因數(shù)： cosφ=0.81；
效率： η=0.8；
最大轉矩： T=2.5KN.m；
質量： M =147kg；
伸出長度： L=112mm；
伸出端直徑： D= 42mm；
4.5.2 電動機的校核
電動機的平均啟動功率： N=βN
式中：
β=（0.7-0.8）β
β—過載系數(shù)，取β=2
則 β=1.4-1.6
取 β=1.5
則 N=1.5*11
=16.5KW
N>N
故所選電機滿足要求
4.6 傳動機構的傳動比計算
傳動比計算公式： i=n/ n
式中： n—電動機轉速，r/min；
n—車輪轉速，r/min；
則
i= 890/7.12=125
4.7 減速器、聯(lián)軸器的選擇
同軸式圓柱齒輪減速器（JB/17000-1993）是采用回歸布置的漸開線圓柱齒輪外嚙合傳動，包括TZL、TZS、TZLD、TZSD型四個系列，TZL、TZLD型（二級傳動）減速器輸入軸與輸出軸同軸線，TZS、TZSD型（三級傳動）減速器與電動機通過法蘭盤直接連接。具有規(guī)范的范圍和承載能力大、效率高的特點。
工作條件：輸入軸轉速不大于1500r/min，齒輪的圓周速度不大于20m/s，允許正、反轉。
同軸式圓柱齒輪減速器適用于水平臥式安裝，允許輸出軸向下傾斜安裝，輸出軸與水平面夾角不大于20°。主要用于冶金、礦山、能源、建材、化工等行業(yè)同軸線布置的機械傳動系統(tǒng)。
4.7.1 減速器的選擇
行走機構，傳動裝置電動機輸出端減速器的選擇。
由于電動機安裝在車架的底座上，電動機輸出軸與車輪軸不平行，故行走機構選擇減速器選擇TZSD425-160型 JB/T7000-1993型，其參數(shù)如下：
公稱傳動比i=125.5;
公稱輸入轉速 n=1000r/min；
公稱輸出轉速 n=7.2r/min；
公稱輸入功率 P=18.5KW
公稱輸出轉矩 T=29.4KN.m
減速器的高速軸直徑50mm，低速軸直徑130mm
車輪的實際行駛速度：V=Vi/i
=19125/125.5
=18.92m/min
速度的相對誤差： ε =（V-V）/V100%
=（19-18.92）/19100%
= 0.42%
4.7.2 聯(lián)軸器的選擇
1. 電動機與減速機高速軸間聯(lián)軸器的選擇
電動機輸出軸直徑D=50mm，軸伸長度E=110mm，聯(lián)軸器選擇LT7型彈性套柱銷聯(lián)軸器。
ZC42112/JB50112，GB4323-2002
公稱轉矩為： Tn=500N.m
2. 減速器輸出軸與車輪軸間聯(lián)軸器的選擇
由于車輪軸與減速器輸出軸連接處的直徑為130mm，故聯(lián)軸器選用LT12型彈性套柱銷聯(lián)軸器。
JB130202/YB130252， GB4323-2002
公稱轉矩為： Tn=8000N.m
第五章 提升機構的設計計算
提升機構的作用是控制中間罐的上升和下降，從而調節(jié)中間罐水口在結晶器內的高度。由于液壓設備具有體積小、重量輕、制造安裝方便等特點，本設計采用液壓缸來實現(xiàn)中間罐的升降。
提升機構主要由獨立的液壓站、分流閥、液壓缸及相關管線組成，由于中間罐車的工作環(huán)境較高，因此，應注意液壓設備及管路的防護和合理布置。
提升機構采用四個液壓缸支承中間罐及其橫梁，為了保證四個液壓缸的同步動作，采用分流閥實現(xiàn)。
5.1 液壓缸的選擇及校核
5.1.1 液壓缸的選擇
提升機構所受負荷按所承受的最帶負荷計算：
W=（Q+CG）g
式中： Q—中間罐滿罐是重量，Q=111t；
G—提升框架的重量，G=6t；
C—提升框架的自重系數(shù)，C=1.1；
則 W=（111+1.16）9.8=1152.48KN
四個液壓缸同步提升，則每個液壓缸的負荷；
F=W/4
=1152.48/4=288.12KN
由此可以確定液壓缸的缸徑。由資料查得，液壓缸的缸徑可以選取D=180mm，桿徑為d=125mm，液壓缸的推力為：
T=407.15KN>288.12KN
結合液壓缸在中間罐車上的安裝位置，選擇ZB型液壓缸，液壓缸豎直安裝在中間罐車的立柱內。
5.1.2 液壓缸工作壓力的選取
由資料表21—6—30，選取液壓缸工作壓力為：p=16MPa。由于中間罐車工作環(huán)境溫度比較高，工作介質選擇磷酸酯液壓油（HFDR）。
5.1.3 液壓缸的校核
頂出液壓缸的計算推力公式為：
F= p（D/2)pη
式中： D—液壓缸缸徑， D=180mm；
p—液壓缸工作壓力，p=16MPa；
η—液壓缸效率， η=0.95；
則 F=3.14（180/2) 1016100.95
=386.79KN>288.12KN
故所選液壓缸滿足要求。
5.2 液壓系統(tǒng)的計算
5.2.1 系統(tǒng)流量的計算
由于要支持四個液壓缸，因此，系統(tǒng)流量只需要考慮液壓回路中最大的油缸流量。本設計中，升降液壓缸的無桿腔供油時系統(tǒng)流量最大。供給一個液壓缸的流量為：
Q=AV=1/4pD2V
=1/43.14180102.41010
=61.1L/min
則四個液壓缸同時動作所需流量為：
Q=4Q=4*61.1=244.1L/min
只要系統(tǒng)流量滿足提升液壓缸的動作就可以滿足整個系統(tǒng)運行。根據已知條件確定系統(tǒng)工作壓力為P=18MPa，其中2MPa為閥的沿程損失。
5.2.2 泵站電機功率的計算
由于系統(tǒng)流量在最大工作時和在最小工作時變化大的特點，主泵選定恒壓變量泵，又根據油缸的工作壓力選定主泵型號A4VS0125，數(shù)量為兩臺，其中主泵排量q=125mL/r，轉速r=1500r/min。計算功率N=qrP/η=53.9KW，選擇N=60KW，n=1200r/min的電機，數(shù)量為兩臺。
液壓系統(tǒng)輸出的最大流量為2Q=2qn=300L/min。
5.3 液壓系統(tǒng)的設計
5.3.1 液壓系統(tǒng)的描述
液壓系統(tǒng)組成有泵站和閥門。系統(tǒng)采用3套主泵組，2套工作，一套備用，正常情況下可以定期轉換使用。主泵進油管裝有帶信號裝置的截止閥和緩沖軟管，出油管上裝有溢流閥、壓力表和壓力繼電器。由于系統(tǒng)中有比例閥，對油液的清潔度比一般系統(tǒng)要高，所以在主泵出油口裝有壓油過濾器。油箱包括油位指示器、電加熱器、回油管路的冷卻器、雙筒過濾器、循環(huán)泵和循環(huán)過濾器等。其中一些電子元件如溫度、液位和壓力繼電器等都可以采用模擬和開關量兩路控制，以便在計算機畫面上實時監(jiān)控。閥門組有三位四通比例換向閥、壓力補償器、同步馬達和FD平衡閥等。
5.3.2 液壓泵站連鎖控制
油箱油位采用四點控制：超低限泵不能啟動、低限補油、高限停止補油、超高限不能啟動或停機。所有控制都采用聲光報警。
油箱油溫采用五點控制：當油溫小于等于10°C，泵不能啟動，打開加熱器；當油溫大于等于25°C，泵允許啟動，加熱器關閉；當油溫小于等于35°C，關閉冷卻器，停止冷卻；當油溫大于等于45°C，打開冷卻器；當油溫大于等于65°C，泵不能啟動或準備停機。所有控制都采用聲光報警。
油泵出口任何一個壓力小于等于16MPa，備用泵自動開啟，對應的故障泵停止，泵出口溢流閥調定壓力19.0MPa系統(tǒng)壓力小于等于12MPa或大于等于20MPa，發(fā)出高、低壓報警（聲光信號）。
當回油、循環(huán)及高壓過濾器堵塞，阻力增大到設定值時，污染指示器發(fā)出聲光報警，由人工切換過濾器并更換濾芯。
5.3.3 升降液壓缸的控制
液壓回路采用開環(huán)式比例控制，以調節(jié)中間罐升降速度，保證中間罐平穩(wěn)升降。油缸口的溢流閥、液控單向閥和回路中的平衡閥都起安全作用，其中溢流閥作安全閥用，液控單向閥作防爆閥用，平衡閥主要是用來防止由于負向載荷引起的中間罐失速下滑；同步馬達保證四個液壓缸精確同步。主泵啟動且比例換向閥左位通電，壓力油經比例換向閥、平衡閥、同步馬達進入液壓缸無桿腔推動活塞并帶動中間罐垂直向上移動至高位，此時中間罐車處于準備位置，同時有桿腔的油液經平衡閥和比例閥流回油箱，比例換向閥左位斷電。當中間罐車運行到澆鑄位置時，比例換向閥右位通電，壓力油進入液壓缸有桿腔推動活塞向下移動