冶金过跨设备阶梯小车的设计与应用

2021-03-08杜晓敏

中国金属通报 2021年21期

杜晓敏

（酒钢集团甘肃筑鼎建设有限责任公司，甘肃嘉峪关 735100）

平板车在工程运输中非常广泛，作为一种非道路物流转运设备[1]，主要应用于各大中型机械、冶金等工厂中[2]，具有结构简单、运行灵活、安全可靠等诸多优点，是各车间跨与跨之间或跨间物件二次倒运的首选设备。

大型高炉风口设备是炉前重点设备之一，其主要包括风口大套、风口中套（以下简称风口和中套）和风口小套，设备材质为纯铜。由于高炉生产时的高温冲刷、炉内悬料的坠落，往往会导致风口和中套设备损坏，进而致使设备内部的水冷循环系统外露，在这种情况下高炉必须休风对中套设备进行更换[3]。酒钢7#高炉风口中套等易损件暂存于标高10.25m出铁场平台，检修更换时由顶部天车吊运至标高13.41m风口平台。但风口平台不在天车有效作业面的正下方，已超出了吊钩的极限位置，每次检修都是先用天车将中套吊起而后由现场工人将中套拽至风口平台，横向拉拽距离2.5m左右，违反了安全操作规程要求，存在着安全隐患。

笔者经过长期以来的摸索思考，结合现场实际情况设计出了一种阶梯小车。阶梯小车位于风口平台上，将风口平台延伸至天车有效作业区域的正下方。检修更换中套时，将中套吊运至小车上，而后由小车运回至风口平台即可，解决了目前风口设施检修更换的困难。

1 7#高炉风口现状探究

酒钢7#高炉出铁场平台位于标高10.25m，而风口平台位于标高13.41m，垂直高差3.16m。目前，每次检修更换风口设备时，备品备件先由出铁场平台的顶部天车垂直吊起，而后由现场工人通过绳子拉拽至风口平台。究其原因是，风口平台不在天车有效作业面的正下方，已超出了吊钩的极限位置。每次检修横向拉拽距离2.5m左右，这种斜拉歪拽的情况不仅违反了安全操作规程的要求而且存在着极高的安全隐患，被集团公司安全环保部多次责令整改。

风口和中套设备安装在风口与大套之间，风口安装在中套内部，各设备头部结合面结合紧密。其设备布置如图1所示[3]。

图1 高炉风口设备布置图

由于高炉生产时的高温冲刷以及炉内悬料的坠落，往往会导致风口设备损坏，故需要对其进行检修更换。而目前位于出铁场平台的备品备件又无更好的方式到达风口平台，只能违章作业。因此，针对以上问题，提出设计研发一种新型平板车，将平板车置于风口平台，检修时先将备品备件吊运至平板车，而后由平板车将备品备件运回至风口平台，彻底杜绝违章作业的问题。

2 阶梯小车的设计

2.1 阶梯小车的提出

经过上述分析可知，酒钢7#高炉风口大套（中套）在生产过程中作为易损件需定期检修更换，而现状的实际情况是检修天车无法将备品备件直接吊运至检修平台（风口平台）。如何能够设计一种转运设备将天车吊起的备品备件二次倒运至风口平台，成为解决此问题的关键。受炼铁厂委托，笔者通过深入研究并结合现场实际设计了一种3t手推式阶梯小车，使得该问题得以解决。阶梯小车的现场布置，如图2所示。

图2 阶梯小车布置图

阶梯小车的两只轮子位于标高13.80m平面，两只轮子位于标高13.41m平台（风口平台），因此得名“阶梯小车”。

2.2 阶梯小车的设计思路

平板车的设计通常分为以下几个部分：行走部件（车轮）、承载货台（车架部分）、牵引部分（拖柄）等[4]，受现有平板车的启发，本次设计阶梯小车的设计思路如图3所示，主要包括车架、车轮、车轴和拖柄等等几部分组成，其技术参数见表1。

图3 3t手推阶梯小车

表1 3吨手推式阶梯小车技术参数

（1）车架。设计中，阶梯小车承载货台（车架）采用型钢框架梁式结构，车轮采用滚动轴承式结构，车轴采用45#优质碳素结构钢制作。车架设计的核心是车架主梁的设计，主梁设计必须满足公式①的正应力强度条件要求：Wz≥。

式中：Wz-设计选用材料的抗弯截面系数；Mmax-承载货台货物重量及自重对主梁所形成的均摊最大弯矩（Mmax=1/8qL2，其中：q-阶梯小车轴距间单位距离上的载重量，N/m；L-阶梯小车的轴距，m）；σ-主梁材料的许用弯曲应力，MPa；ψ-0.6，参考《机械设计手册》取得[5]。

根据公式①计算得到Wz再从机械设计手册中选取具体的型钢型号，经计算本次设计采用16a槽钢作阶梯车架主梁，16#工字钢作为次梁。主要型材材质为Q235-A，车架主要由主梁、次梁和顶面钢板等组成，整体采用焊接工艺进行加工制作。

（2）车轮。车轮作为阶梯小车的行走部件，与地面轨道直接接触易磨损，需具备一定的抗疲劳强度。其踏面抗疲劳强度须满足②式计算。车轮踏面疲劳强度（线接触）计算公式如下：

式中：Pc-车轮踏面疲劳计算荷载，N；K-与材料有关的许用线或点接触应力常数，MPa；D-车轮直径，mm；L-车轮与轨道有效接触长度，mm；C1-转速系数，按机械设计手册选取；C2-工作级别系数，按机械设计手册选取。

经计算，采用直径Φ300mm的车轮，材质为铸钢ZG270-500（GB/T11352-1989），可以满足抗疲劳强度要求。

（3）车轴。车轴作为传力构件，将车架承受的荷载分配至车轮，然后由车轮传至地面。车轴的设计主要是定出轴的合理外形和轴各段的直径、长度等构件。轴的结构取决于轴的承载性质、大小、方向以及传动布置方案。根据本次阶梯小车的布置情况，按扭转强度及刚度计算轴径如公式③。

式中：d-轴直径，mm。T-轴所传递的转矩，N·m；；P-轴所传递的功率，kW；N-轴的工作转速，r/min；ζ-许用扭转切应力，MPa。

经计算，并考虑一定的安全系数，设计的车轴直径为Φ80mm，材质为45#钢，可以满足强度要求。

（4）拖柄。拖柄作为本次设计阶梯小车的传动装置，采用便于抓握的安全栏杆焊接于阶梯小车端部，详见图3、序号6所示。由于高炉风口大套（中套）检修频次较低，本阶梯小车使用并不频繁，因此设计采取人工推/拉的方式作为小车的运行动力。人力只需克服车轮与轨道的摩擦力即可使小车运行，根据摩擦力计算公式④，计算推/拉力如下：

式中：F-驱动阶梯小车所需的推力/拉力，N；M-车轮与钢轨摩擦系数，设计取值0.05；M-车轮承受的荷载，kg（单个风口大套/中套的重量约2000kg）；G-重力加速度，9.8N/kg。

经计算，人工推力/拉力只需约30kg便可完成倒运作业。

在依次完成各零部件的详细设计后，将各零部件集成、装配即可完成3吨手推式阶梯小车的设计。其装配简图见图4。

图4 阶梯小车装配图

2.3 用途及适用范围

本次设计的3t手推式阶梯小车适用于酒钢7#高炉出铁场平台，作为高炉风口大套（中套）的跨间二次倒运设备。该车的结构型式也适用于车间/厂房跨与跨之间标高不一、存在高差的情况，只需根据实际高差调整车架支腿（如图3序号5所示）高度即可。

3 阶梯小车的应用

高炉风口大套（中套）的更换吊装，一直以来是费力费时的工序，也是困扰7#高炉风口大套（中套）检修亟待解决的问题。受炼铁厂委托，笔者多次深入现场了解现状的具体问题，并结合7#高炉风口平台及出铁场平台的实际状况，创造性的设计了一种3t手推式阶梯小车用于解决此问题。

目前，阶梯小车已按设计图纸制作完成并投入使用。下面结合具体现场实施方式对本次设计的3t手推式阶梯小车的使用和运输做进一步的说明。根据酒钢集团公司安全环保部的要求，天车作为特种设备在起吊重物时须垂直吊起，在其有效作业面（吊钩极限位置所形成的区域）内完成吊装作业，严禁将重物斜拉歪拽出有效作业面。本次通过将7#高炉风口平台局部加宽2.5m×2.5m，加宽的平台标高为13.800，风口平台的标高为13.410，两者高差39cm。阶梯小车一组车轮位于加宽后的平台，另一组车轮位于风口平台（如图2所示），检修更换风口大套（中套）时，首先利用出铁场平台顶部天车将新的风口大套（中套）吊运至3t手推式阶梯小车，而后由阶梯小车运至风口平台然后进行检修更换；更换安装完成后破损的风口大套（中套）再通过阶梯小车运至天车有效作业区域，然后由天车吊运至检修区域进行维修。从现场使用情况来看，本次设计的手推式阶梯小车轻便灵活，不仅解决了现场存在的实际问题，而且节省了人力，提高了工作效率，为7#高炉风口设备检修带来了极大的便利。