摘要本文從上料系統(tǒng)能力的校核、料坑、斜橋及卷揚機的改造設計等各方面介紹了斜橋上料系統(tǒng)的設計特點，詳述了提高料車斜橋上料的改造內(nèi)容和措施；并對斜橋上料的計算過程進行了詳細說明，為設計提供了理論依據(jù)。

關鍵詞料車卷揚機斜橋上料改造設計

The revamping design of improving the skip car inclined bridge charging ability

CHEN ShiqiangQI BoPAN Tieyi

(WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited)

AbstractThe article introduced the design characteristics of charging system, which included checking charging ability, the raw material pit, inclined bridge and the revamping design of hoist. Beyond that, the article also introduced the revamping contents and measures of improving the skip car inclined bridge charging ability; and the calculation process of the inclined bridge was described in detail, which provided the theoretical basis for the design.

Keywordsskip carhoistinclined bridge chargerevamping design 

1改造內(nèi)容及現(xiàn)狀

國鑫1號高爐于2010年投產(chǎn)，日產(chǎn)量在2300t左右，并且爐缸溫度偏高，生產(chǎn)不穩(wěn)定，無法滿足煉鋼和軋鋼3000t/d的能力要求，因此擬建設改造2號高爐。2#高爐原設計爐容為660m3，現(xiàn)場礦焦槽、高爐本體、出鐵場、熱風爐及干法除塵區(qū)域的土建基礎都已經(jīng)施工完畢，現(xiàn)將高爐爐容提高至850m3，要求每天具備3000t的產(chǎn)量，以替代1#高爐。為了節(jié)省項目投資，業(yè)主要求盡可能的利舊原有的土建結構。本文以此高爐為例，詳述了斜橋上料系統(tǒng)的設計特點，以及提高料車斜橋上料能力的具體改造措施和注意事項。表1為2#高爐改造前后的主要技術經(jīng)濟指標。

2上料系統(tǒng)能力的校核

斜橋上料設備主要包括：料車，料車卷揚機，鋼絲繩及繩輪。由于料坑及卷揚機室的結構基礎已經(jīng)施工完畢，需要對料車的有效容積和卷揚機的作業(yè)率進行校核，并核算原有的結構基礎是否可以利舊。

2.1  料車有效容積的校核

按日產(chǎn)鐵量3000t/d計算，噸鐵礦石耗量為1.681t，噸鐵焦炭耗量為0.365t，則上料礦批量平均約28t，焦批量平均約7t。一般情況下每批料由兩車焦和兩車礦或三車礦組成，最多由三車焦和三車礦組成。原料車有效容積設計值為5.5m3，無法滿足上料能力的要求，需要擴大料車的有效容積。另外，料車的有效容積還應與爐頂設備的料罐有效容積相匹配，綜合考慮，料車有效容積按8m3來進行設計。

2.2  料車卷揚機作業(yè)率的校核

料車最大運行速度按2.5m/s考慮，根據(jù)料車運行速度和運行軌跡，料車運行一次的時間為35~40s，每批料由4至6車組成，集中斗卸料時間控制在25s以內(nèi)，則每批料的上料總時間為：

T=(4~6)×(40+25)=260~390s

卷揚機晝夜裝料批數(shù)：

由此可知，采用4車制時，卷揚機最大上料批數(shù)為332批，采用6車制時，卷揚機最大上料批數(shù)為222批。

料車有效容積按8m3，高爐日產(chǎn)鐵量按3000t/d計算，需要上料批數(shù)M′=3000x1.681/28=180批，則采用4車制正常上料時，卷揚機作業(yè)率為180/332x100%=54.2%；采用6車制趕料時，卷揚機作業(yè)率為180/222x100%=81%，可以滿足高爐正常生產(chǎn)和趕料要求。

3  上料系統(tǒng)的改造

國鑫2#高爐采用斜橋上料，原設計斜橋型式為實腹梁式。

（1）斜橋料坑段土建部分已經(jīng)施工完畢，斜橋上直線段及卸料曲軌段均未施工。斜橋在料坑段設計角度為60°，料坑段料車的軌道間距設計為1454mm。

（2）卷揚機平臺為混凝土結構，卷揚機的基礎已經(jīng)施工完畢，螺栓已預埋。卷揚機室的框架及屋面原設計為鋼結構，尚未施工。

結合現(xiàn)場的實際施工情況及原設計的圖紙，在盡可能利舊原土建結構情況下對上料系統(tǒng)進行擴容改造具體改造內(nèi)容如下。

3.1  料坑的設計改造

高爐擴容改造后，料車有效容積由5.5m3加大至8m3。由于現(xiàn)場料坑土建結構已經(jīng)施工完畢，為了減少改造時間和改造成本，盡量不破壞原有的土建結構，對料坑作如下設計改造。

（1）料坑段斜橋角度為60°，保持料車軌距1454mm不變，只對料車進行加高加長改造。

（2）料車加長后，由于料坑深度無法滿足料車的裝料要求，需要挖深。設計過程中，若在結構強度允許的情況下，可以加大料坑的挖深范圍，便于生產(chǎn)中清理物料。本工程結構強度不允許，只能在料車底部挖深一小部分，以滿足料車裝料要求。

（3）料坑中的焦炭集中稱量斗與礦石集中稱量斗的有效容積加大至8m3，以適應料車的容積要求。

為了保證礦石焦炭能夠正常卸到料車中，不造成灑料現(xiàn)象，且保證料車在運行過程不與稱量斗干涉，設計時還應注意料車與稱量斗之間的距離要求。

3.2  斜橋的設計改造

斜橋現(xiàn)場未施工，本工程斜橋重新設計，采用桁架式結構形式。斜橋走行軌道分為料坑內(nèi)直線段、斜橋上直線段以及爐頂卸料曲軌段三部分。其中料坑內(nèi)直線段斜橋角度為60°，斜橋上直線段斜橋設計角度為57.1399°。

3.2.1  爐頂卸料曲軌段設計

斜橋的爐頂卸料曲軌的形式有多種，本工程采用的曲軌形式見圖4。此種形式的卸料曲軌結構簡單，易于制造。為保證料車的穩(wěn)定性和卸料迅速干凈，防止料車向高爐側翻，料車在卸料曲軌的極限位置時的設計角度為60°。

在爐頂卸料曲軌設計完后，還需要驗證料車在曲軌的自返條件，以保證空料車在自重作用下具備較大的自返力矩。料車在卸料曲軌的自返條件按下式確定[1]：

∣MF / MZ∣≥5

MF=Q?ac

MZ=ξ（R1a1+ R2a2）+（nSqH-G1）aT

其中，MF—料車在曲軌上的返回力矩，Kg.m；

MZ—阻止料車返回的力矩，Kg.m；

ξ—車輪的阻力系數(shù)，ξ=β(μd+2f)/D,（β-車輪輪緣與鋼軌的摩擦系數(shù),一般取3；μ-車輪軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承時取0.015，滑動軸承時取0.1；d-對于滑動軸承，為車輪軸的軸頸直徑；對于滾動軸承，為軸承的平均直徑；f-車輪對鋼軌的滾動摩擦系數(shù)，一般取0.08；D-車輪直徑）；

R1—軌道對料車前對輪的反作用力，Kg；

a1?—料車在曲線段上時，前輪在軌道上的切點與料車瞬時回轉中心間的距離，m；

R2—軌道對料車后對輪的反作用力，Kg；

a2?—料車在曲線段上時，后輪在軌道上的切點與料車瞬時回轉中心間的距離，m；

ns?—牽引一輛車的鋼繩數(shù)；

q—每米鋼繩的重量，Kg/m；

H—料車拉桿上鋼繩連接點與料車卷揚機卷筒中心線間的標高差，m；

G1—料車拉桿的重量，m；

aT—料車的鋼繩張力作用線與料車瞬時回轉中心間的垂直距離，m。

經(jīng)計算，本工程中，MF / MZ的絕對值為9.7，滿足自返條件，卸料曲軌設計合理。

3.2.2  斜橋的靜力分析

在斜橋角度、料車外形及重量以及料車繩輪拉力方向等參數(shù)確定以后，需要對斜橋進行靜力分析以確定斜橋所承受的荷載。斜橋靜力分析的過程[2]如下：

（1）確定料車的重心位置，包括空料車重心、正常裝料時的料車重心以及過載裝料時的料車重心。計算裝料時的料車重心時，先要根據(jù)物料在料車中的堆積外形計算出物料的重心，再以空料車和物料的重心為已知條件求得裝料時的料車重心。

（2）確定料車卡住時鋼繩張力T的大小。料車運行過程中有可能發(fā)生前輪卡住事故，會瞬間對軌道產(chǎn)生巨大輪壓，因此需要考慮在滿載裝礦條件下車輪被卡時斜橋的受力情況。T的大小按下式求得:

T=(2M?k?η?i)/DT=(2λ?Mn?η?i)/DT

式中，MK—電動機在料車卡住時的轉矩，Kg.m；

η?—卷揚機機械效率；

      i—傳動機構總傳動比；

λ—電動機過載系數(shù)；

      Mn—電動機額定轉矩，Mn=974N/n （N—電動機額定功率，KW；n—電動機額定轉數(shù)，r/min），Kg.m；

DT—卷筒直徑，m。

（3）料車在斜橋上受力分析位置[3]的選擇。一般情況下，可選擇五個代表性的位置作受力分析，即料坑底部極限位置、空車與重車在直線段相遇時的位置、料車在卸料曲軌段后輪進入分歧軌的位置、料車在卸料曲軌段的水平位置以及料車在卸料曲軌段的上部極限位置。

（4）運用AutoCAD作圖法，以料車為受力分析對象，以力的大小為邊長繪制矢量三角形，分別對料車在斜橋上的五個位置進行受力分析。

表2列出了本工程的斜橋靜力分析結果。本文以空車與重車在直線段相遇時的位置為例，對重車（料車超載裝礦）上行的情況進行受力分析，詳見圖5。

R1—軌道對料車前對輪的反作用力，Kg；R2—軌道對料車后對輪的反作用力，Kg；R—R1和R2的合力，Kg；Q?—不包括料車拉桿的空車或重車重量，Kg；T—料車卡住時鋼繩的靜張力，Kg；

本工程中，兩車相遇，重車上行時，Q=27300Kg，根據(jù)矢量三角形得出：T=23030Kg，R=12660Kg。由R=R1+R2，R1×1608= R2×1092 得出R1=5120Kg，R2=7540Kg。

表中F為料車卡住時，前輪在軌面上切點處的卡住力；R2前有負號表明料車卡住后對壓輪軌的作用力，本工程料車全程設置壓輪軌。

3.2.3  繩輪的受力分析

由于料車在斜橋上行走時，料車拉桿的方向隨料車位置的變化而變化，因此在對繩輪進行受力分析時，仍然需要選取料車在斜橋上的五個代表性的位置。

繩輪受到鋼絲繩T1和T2兩個方向的拉力，可求得其合力T，通過分解得到繩輪的水平力Tx和垂直力Ty。T1=T2，實際計算時，拉力T1和T2可選取料車在不同位置時，斜橋靜力分析已求得的最大拉力值來進行計算，一般情況下，料車在卡住時拉力最大。本工程繩輪的受力分析結果見表3。

3.3  卷揚機的設計改造

3.3.1  卷揚機的設計選型

原5.5m3料車的主卷揚機設計能力正常為160KN，最大為220KN，料車容積增大至8m3后，原卷揚機能力已不能滿足設計要求，需重新設計改造。8m3的料車最大裝料荷載為20t，正常裝料荷載為14.6t，表4給出了料車的運行時間及鋼繩的行程。

根據(jù)料車的裝料荷載、料車的運行時間及鋼絲繩的行程等參數(shù)確定卷揚機的性能參數(shù)，表5為改造前后卷揚機性能參數(shù)對比表。

3.3.2  卷揚機室的工藝布置

根據(jù)現(xiàn)場情況，卷揚機的基礎已經(jīng)施工完畢，廠房及屋面尚未施工。與原設計一樣，本次設計卷揚機室的平臺為混凝土結構，廠房及屋面采用鋼結構。圖7為卷揚機室的工藝布置圖。

主要特點如下：

（1）卷揚機室放在礦焦槽槽面之上，與爐頂液壓站合建在一起。

（2）由于主卷揚機重新設計，原有的卷揚機基礎無法利舊，需要鑿除后重新設計。

（3）需要設置檢修設施，用以檢修更換主卷揚機的電機、減速機及卷筒等設備。本設計的檢修設施為一臺10t的電動葫蘆和兩臺10t的手拉葫蘆。

（4）需要設置鋼絲繩防松報警開關，由廠家或施工單位根據(jù)現(xiàn)場情況負責將其安裝在卷揚機室內(nèi)。

（5）卷揚機室內(nèi)還應考慮設計采暖通風設施。

3.3.3  卷揚機卷筒受力分析

在設計料車卷揚機基礎之前，需要對卷揚機的卷筒進行受力分析。料車卷揚機卷筒上分兩股鋼絲繩，分別對應斜橋上的兩個料車，且1#料車裝料上行時，2#料車空車下行。因此在受力分析時，鋼絲繩的拉力T1和T2可分別選取料車裝料上行和空車下行兩種情況的最大值進行計算，圖8為卷揚機卷筒受力分析圖。圖中T為T1和T2的合力，通過分解得到卷筒受到的水平力Tx和垂直力Ty。本工程繩輪的受力分析結果見表6。

4結語

（1）本文以國鑫2#高爐改造為例，從上料系統(tǒng)能力的校核、料坑、斜橋及卷揚機的改造設計等各方面介紹了斜橋上料系統(tǒng)的設計特點，詳述了提高料車斜橋上料的改造內(nèi)容和措施。

（2）通過AutocAD作圖法對料車斜橋上料過程進行了靜力學分析，計算得出了斜橋、繩輪及卷揚機卷筒在料車不同位置、不同工況下的受力，為結構專業(yè)進行計算提供了設計依據(jù)。

（3）料車斜橋上料與皮帶上料相比，布置緊湊，設備種類多，計算量大。設計時應特別注意料車運行軌跡與周邊設備及環(huán)境的關系，避免干涉。

5  參考文獻

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