大吨位浇包转轴位置的确定方法

周自斌，杨崇英

（河南省工业学校，河南 郑州 450011)

目前，随着我国成套设备制造能力的不断提高，设备中铸造件通常要占到设备零件总量的一半以上。浇注铸件使用的浇包的转轴位置是影响浇包使用性能的关键因素。尤其是用于浇注大型铸件的大吨位浇包，使用中既要操作灵活，又要安全可靠。在设计制作10t倾转锥筒式浇包时，转轴的位置恰当与否直接影响浇包的使用效果。在设计中经过对浇包转轴位置的分析计算，找到合理的位置，是保证浇包在使用过程中安全、灵活、经济的重要因素。

图1是倾转锥筒式浇包示意图。其工作原理和用途是：由起重设备将浇包吊至高炉前，包内注入铁水后，将浇包吊运至铸型，人工转动手轮2.通过减速机构3驱使包体1倾转，将包内铁水徐徐注入型腔。在这一系列工作过程中，首先要求安全可靠，不允许因出现失控而造成事故；再者要求操作轻便灵活，减轻人工操作的疲劳。对于一般小型浇包来说，以上二者的矛盾不很突出。对于诸如10t以上的大型手摇浇包来说，二者矛盾显得特别尖锐。通常在设计制作大吨位浇包时，宁可使其操作笨重一些，也要保证其安全可靠。能否寻求一个二者兼顾的最佳方案？本文就这个课题进行了分析研究，找到了较为满意的答案。现就浇包转轴位置的设计原理及验算方法作如下说明。

1 浇包转轴位置的确定

图2是浇包转轴位置示意图。图示状态为包体1内铁水已充注到规定最高液面5，浇注过程中，包体1绕转轴2转动。由平衡理论可知，当铁水液面达到规定最高液面5时，假如浇包和其内的铁水的合重心恰恰落在转轴轴心线上（如图2中的4点），包体和铁水则处于平衡的临界状态。因减速机构中的蜗轮蜗杆的自锁作用，包体不会倾转。但特别值得注意的是：1）注入浇包的铁水量可能超过规定，甚至铁水液面与浇包上口面平齐。此时合重心点4上移，外加摆动力的作用，可能迫使蜗轮蜗杆破坏；2）在浇包处于平衡临界状态下减速机构意外失控。一旦出现以上情况，即会酿成恶性事故。所以确定浇包转轴位置时不能按图2所示的临界状态设计。

如图3所示，设计转轴位置，首先需要从浇包内注满铁水考虑，图中铁水液面5与浇包上口平齐。在此状态下，可将包体与铁水的合重心3落在转轴的轴心线上。通过合重心的水平线就是待确定的转轴轴心线。虽然在此状态下浇包仍处于临界平衡状态，由于在包体上设计有安全卡。除此以外，只要包内铁水液面低于浇包上口面，合重心便在转轴轴心线以下，包体完全处于平衡。

图4所表示的是浇包在浇注过程中的某个状态。此时人工转动手轮的施力5的力矩与包体及铁水的合重力4的力矩相等。显而易见，如果包体与铁水的合重力的作用点距转轴轴心线的距离△S过大，迫使人工转动手轮的施力加大，势必操作困难。因此必须寻求△S的变化规律及其最大值。

为了便于分析，我们假设浇包为直圆柱。图5是浇注过程中，包体倾转α角时包内铁水垂直于地面的最大截面状态图。由于铁水以此截面为对称，所以可以用其面积表示铁水的重量。把ACEF分成直角△ABC和矩形ABEF两部分，EF为浇包底平面，AC为铁液水平面。在我们设计的10t浇包中，EF=1260mm=h EC=1420mm=b

以下通过五个步骤建立计算铁水重心G点位置的数学模型：

（9）式即为计算铁水重心G点位置的数学模型。每取一个值，GK的值及G2G值都可取得。虽然G2G和GK不在同一直线上，由于误差不大，可以忽略。将由逐渐减少到的一系列值及之值代入式。便可得到G2G的一系列值。

当 α=41°33′时，如图 6所示，浇包内铁水垂直于地面的最大截面ABC呈直角三角形。在此状态下，根据直角三角形性质可得：

当 α＜41°33′时，如图 7 所示，浇包内铁水与地面垂直的最大截面呈直角△ABC，所以铁水重心G1的位置为：

图7 浇包倾角α＜41°33＇时铁水重心分析图

EJ的值固定不变，G1J的值随α的减小而减小，当α=0时，G1J=0。

由（9）式及其他计算公式，代入设计的10t浇包有关数据，得出表1中各数值。

表1 不同转角的浇包位置数据

由表1中的数据，可绘出铁水和包体得合重心到包体转轴轴心线之距△S与倾角α的关系如图8，以及浇包和铁水的合重力的转矩△W与浇包倾角α的关系曲线如图9。

综合以上分析可得，在浇注过程中，随着倾角α的减小，包体与铁水合重心的位置逐渐下降，当α=41°33′时，合重心距浇包转轴轴心线之距达到最大值。试验10t的浇包在浇注过程中，当α=41°33′时，浇包与铁水的合转矩的最大值为1655 N·m。此时人工转动手轮是否轻便，可作如下校验：

校验公式：F人·S·i=W最大

F人——人工转动手轮的切线力，N；

S——人工转动手轮的切线力之臂，m；

i—减速机构传动比；

W最大—浇包与铁水的最大合转矩，N·m。

笔者带入10t浇包设计中数据：

计入摩擦系数K=0.5得：

根据实践经验，只要不大于300N，即满足要求，可见据此设计转轴位置合理。

2 结论

通过理论分析和实践验证可知，在大吨位倾转锥筒式浇包的设计中，包体转轴位置应取在包内注满铁水（铁水表面与浇包上口平齐）的状态下的包体与铁水合重心的水平线上。初步设计完成后，转轴位置是否合理，再通过上述校验公式进行校核，如果不当，通过改变包体几何尺寸，减速机构传动比来调整。实践证明自行设计的10t铁水包，与外购件相比节约资金5.6万余元，同时为生产大型铸件创造了良好条件。