送料卷扬机卷筒强度计算及应用分析*

詹雪雄，施 汉，熊亚洲

(中冶南方武汉钢铁设计研究院有限公司，湖北武汉 430080)

送料卷扬机卷筒强度计算及应用分析*

詹雪雄，施 汉，熊亚洲

(中冶南方武汉钢铁设计研究院有限公司，湖北武汉 430080)

某钢厂高炉扩容改造，料车扩容，送料卷扬机功率随之增加，卷筒装置拟利旧。本着安全和可靠的原则，根据工况对卷筒装置进行强度计算分析，确定原卷扬机的卷筒装置强度不能满足使用要求，避免了安全事故的发生。

卷扬机;卷筒装置;强度;计算分析

1 引言

某钢厂高炉炉容由450 m3扩容到680 m3，料车有效容积由3.8 m3增加到5 m3，卷扬机功率由200 kW增加到250 kW。改造方案中要求卷扬机中卷筒装置利旧，电机、联轴器、制动器、减速器等更新，本着安全和可靠的原则，需对卷筒强度进行计算分析。

2 卷扬机结构及技术参数

2.1 卷扬机结构

改造后料车卷扬机采用单电机驱动，变频调速。采用双出轴减速器，在减速器高速轴装有工作制动器，在低速轴两轴端，一端装有速度控制器，另一端装联轴器与卷筒轴联接［1］。卷扬机正常提升能力11 t。结构如图1所示。

2.2 卷扬机技术性能及系统参数

(1)卷扬机性能:正常提升能力11 t。

(2)电动机功率:250 kW。

(3)料车:有效容积5 m3。

(4)空料车重量Qc:10 t。

(5)按混合矿计算，物料堆比重:1.8 t/m3。

(6)斜桥倾角:料坑段倾角α1=60°，斜桥直线段倾角α2=55°。

(7)卷筒参数:钢丝绳中心线直径 D=1 850 mm，材质HT250，重量7 t，双槽左旋，绳槽直径φ32.5 mm。

(8)键联接参数:卷筒轴与减速器联接键，1件，A型平键，型号:45×25×260，材质45钢。卷筒轴与卷筒联接键，1件，A型平键，型号:56×32×400，材质45钢。

图1 料车卷扬机

(9)卷筒轴参数:材质45钢，轴输入段(卷筒轴与减速器联接段)直径φ200 mm，与卷筒联接段直径φ260 mm。

(10)卷筒上出绳角度:按与水平方向成43.5°计算。

3 计算分析

根据改造后的卷扬机作业工况条件，对卷筒、联接键及卷筒轴分别进行相关强度核算。

3.1 卷筒的强度核算

3.1.1 强度计算

卷筒宽度L=2 056 mm，卷筒直径D=1 850 mm，因L＜3D，则按卷筒壁内表面最大压应力计算其强度［2］。

计算公式:

式中:σ1为卷筒壁内表面最大压应力，MPa;A为与卷筒层数有关的系数;Smax为钢丝绳最大拉力，N;δ为卷筒壁厚，mm;P为卷筒绳槽节距，mm;σyp许用压应力，MPa。

钢:σyp=σs/1.5，σs为屈服强度;铸铁:σyp=σy/ 4.25，σy为抗压强度。

(1)计算公式中的各项取值

该卷筒为单层，A=1;卷筒壁厚δ=60 mm;绳槽节距P=70 mm。

卷筒材质为HT250，手册中查得σy=180 MPa (铸件)，σyp=42.4 MPa。

(2)钢丝绳最大拉力按三种工况选取

①料车正常装矿，料车总重Qc=10 t，矿料重Qk=9 t，坑底启功加速度a1=0.25 m/s2，料坑斜度α1= 60°，计算钢丝绳Smax:其中:Mk为电动机在料车卡轮时的转矩N·m;λ为电动机的过载系数(查上海南洋电动机YTSZ355L－6，过载系数为3.5);Mn为电动机的额定转矩N·m (查上海南洋电动机 YTSZ355L－6，额定转矩为2 387.5 N·m);i为机构总传动比，i=38;η为卷扬机的机械效率，η=0.85;D为卷筒直径，D=1 850 mm;

计算得:Smax=291.8(kN)

③料车过载装矿，按满斗容积6.67 m3计算，矿料重Qgk=12 t，料坑启动加速度a1=0.25 m/s2。

算得:Smax=196(kN)

根据以上所得，进行卷筒压应力计算，求得σ1值。卷筒压应力计算结果见表1。

表1 卷筒压应力计算表

3.1.2 稳定性核算

卷筒直径D=1 850 mm＞1 200 mm，应进行稳定性验算。卷筒材质为铸铁，应按铸铁卷筒计算公式进行。

式中:pw为失稳时临界压力，MPa，pw=(25 000～32 500)×δ3/R3;p为卷筒壁单位压力，MPa，p=2×Smax/ (D×P)，R=D/2。

根据以上公式，计算得到k值。卷筒稳定性计算结果见表2。

表2 卷筒稳定性计算结果表

3.2 联接键的强度计算

考虑到卷扬机工作有轻微冲击，按此工况要求选取许用应力值。

(1)考虑键或键槽工作面的挤压或磨损［2］:

式中:T为转矩，N·m;Dz为轴径，mm;k为键与轮毂的接触高度，平键k=h/2，h为键厚度;l为键的工作长度，对于A型键，l=L－b;b为键的宽度，mm;σpp为键联接的许用挤压应力，MPa;τp为键联接的许用剪应力，MPa。

(3)转矩T计算

①正常装矿时传递转矩:按在斜桥料坑段运行时计算。

根据以上公式及数据，计算键1及键2的挤压及剪切应力值。结果见表3、表4所列。

表3 键1挤压及剪切应力计算表

表4 键2挤压及剪切应力计算表

3.3 卷筒轴的静强度核算

(1)卷筒轴受力分析

重量和钢丝绳作用力均按集中载荷计算，作用在卷筒装置中心。卷筒装置作用力作用于卷筒轴φ260轴径处。不考虑钢丝绳重量。卷筒上钢丝绳角度按与水平方向成43.5°计算。卷筒轴的重量按1 t计算，作用于距离左右轴承座中心1 290 mm处。卷筒装置受力状况见图2。

图2 卷筒装置受力简图

(2)载荷计算

取正常装矿，在斜桥直线段上正常运行时工况进行计算。重料车钢丝绳拉力Fl1，空料车钢丝绳拉力Fl2;

(3)卷筒轴受力、弯矩及转矩计算结果见图3。

图3 卷筒轴受力图

(4)各处截面静强度计算［2］

式中:τs=0.58×σs;取σs=295 MPa;Zp=1 513，由手册查得。

由上述计算可得:A截面静强度不满足，B、C截面静强度满足。即在该工况时，卷筒轴与减速器联接段强度不能满足要求。

3.4 计算结果分析

(1)卷筒:在正常装矿坑底启动工况下，强度满足要求;在过载装矿坑底启动及正常装矿上行卡轮工况下，强度不满足要求;三种工况下，稳定性满足要求。

(2)键联接:两处联接键，在正常装矿正常运行工况下，挤压应力不满足，剪切应力满足;在正常装矿上行卡轮工况下，挤压与剪切应力均不满足。

(3)卷筒轴:在正常装矿斜桥正常运行工况下，卷筒轴与减速器联接键截面不满足静强度要求，其它截面满足静强度要求。

综合以上分析，可确定旧卷筒装置不能满足改造后的使用工况。因此，旧卷筒装置不得利旧。该工程卷扬机系统改造，需要按改造后卷扬机要求重新设计、制作。

4 结 语

通过明确改造后卷扬机的使用工况，对卷筒装置中卷筒、键及卷筒轴进行强度分析，掌握卷筒装置的强度满足情况，依此判定是否利旧。在理论分析的基础上，科学地制定卷扬机系统方案，解决实际工程问题，确保改造工程安全、可靠，更避免了安全事故的发生。

［1］ 严允进.炼铁机械［M］.北京:冶金工业出版社，2004.

［2］ 成大先.机械设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2006.

Calculation of the Strength and Application Analysis of Drum Device for Skip Hoist

ZHAN Xue－xiong，SHI Han，XIONG Ya－zhou
(WISDRI Wugang Engineering Co.，Ltd，Wuhan Hubei430080，China)

A steel blast furnace is revamped，the effective volume and power of skip hoist is increased.The old drum device will be used.In order to ensure the safety and reliability of the hoist，the strength of drum device is calculated.Then the strength of the original winch drum device can not meet the new requirements.The old drum device can not be used，which avoids the occurrence of security incidents.

hoist;drum device;strength;calculation

TH123

B

1007－4414(2013)05－0135－04

2013－08－13

詹雪雄(1974－)，男，湖北黄石人，工程师，主要从事冶金设备的设计与研究工作。