臺(tái)車爐爐門壓緊機(jī)構(gòu)及臺(tái)車牽引機(jī)構(gòu)的分析

趙振永

（特諾恩技術(shù)（天津）有限公司，天津300192）

臺(tái)車爐是工業(yè)爐中比較典型的一個(gè)爐型， 屬于間歇式爐，由于該爐型的適用性和靈活性都較強(qiáng)，所以在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。 臺(tái)車爐主要由加熱系統(tǒng)、爐門及其升降機(jī)構(gòu)、爐體鋼結(jié)構(gòu)、臺(tái)車及牽引機(jī)構(gòu)、爐襯、臺(tái)車密封裝置、排煙系統(tǒng)（燃?xì)鉅t）、測(cè)量和控制系統(tǒng)等部分組成。

文獻(xiàn)[1]中介紹了多種爐門升降機(jī)構(gòu)（含壓緊機(jī)構(gòu)）及臺(tái)車牽引機(jī)構(gòu)，本文介紹的這兩種機(jī)構(gòu)完全不同于文獻(xiàn)[1]中介紹的結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)新穎、獨(dú)特。

1 爐門壓緊機(jī)構(gòu)

爐門及其升降機(jī)構(gòu)是臺(tái)車爐的一個(gè)重要部件，爐門密封的好壞對(duì)臺(tái)車爐的節(jié)能效果及溫度均勻性起著重要作用。而爐門要實(shí)現(xiàn)密封，必須采取相應(yīng)的壓緊措施，爐門的壓緊方式，分為外力式壓緊和自重式壓緊。

外力式壓緊可以采用氣缸、液壓缸、電動(dòng)推桿等為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)爐門下降到位后，將爐門壓緊到爐口護(hù)板上。 這種方式中， 爐門與爐口護(hù)板之間是平行的，且均垂直于地面。爐門與爐口護(hù)板之間在升降過(guò)程中離開(kāi)一定距離，以免產(chǎn)生摩擦阻力。通常采取加配重來(lái)減小爐門上升所需的動(dòng)力。彈簧壓緊機(jī)構(gòu)[1]也屬于外力式壓緊。

自重式壓緊是利用爐門自身重量來(lái)壓緊， 傳統(tǒng)的自重式壓緊結(jié)構(gòu)為：爐口護(hù)板是傾斜的（與地面成一角度），爐門靠重力貼緊在爐口護(hù)板上，升降過(guò)程中爐門也與爐口護(hù)板接觸。 一般適用于小型爐門且對(duì)密封要求不嚴(yán)的情況。

本文介紹的是另外一種自重式壓緊機(jī)構(gòu)， 如圖1 及圖2 所示。 爐門與爐門框及爐口護(hù)板之間在升降過(guò)程中是平行的（均垂直于地面）且離開(kāi)一定距離，在爐門框兩側(cè)導(dǎo)軌上各設(shè)有上下兩個(gè)斜塊， 位置分別對(duì)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)下?tīng)t門上的上下兩個(gè)內(nèi)襯軸套的短軸，上下兩個(gè)短軸分別位于兩個(gè)不同的導(dǎo)軌內(nèi)，這樣，在上升、下降過(guò)程中就不會(huì)受到斜塊的影響。在爐門下降到位前， 利用這個(gè)斜塊把爐門壓緊在爐口護(hù)板上。

圖1 爐門及其升降機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 斜塊及導(dǎo)軌示意圖

這種斜塊式壓緊機(jī)構(gòu)類似于楔子， 爐門從其短軸進(jìn)入斜塊起，逐漸靠近爐口鑄件，直到完全壓緊爐口鑄件，實(shí)現(xiàn)密封，如圖3 所示。

圖3 爐門關(guān)閉并壓緊后的狀態(tài)示意圖

壓緊后爐門短軸的受力情況如圖4 所示。 爐門兩側(cè)共四個(gè)短軸， 這里以其中一個(gè)短軸代表四個(gè)短軸，并假定四個(gè)短軸受力相同：平移到短軸上的爐門重力G，N；斜塊對(duì)短軸的支撐力N，N；爐口護(hù)板與爐門之間的壓緊力F，N； 爐口護(hù)板與爐門之間的靜摩擦力R，N；對(duì)爐門的提升力P，N；以及短軸與斜塊之間的摩擦阻力R1，N。

圖4 壓緊后爐門短軸的受力分析圖

斜塊上部夾角α，在爐門短軸進(jìn)入斜塊后，提升鏈條與垂直方向會(huì)有一很小角度β。

其受力平衡方程如下：

其中，靜摩擦阻力R=μ×F，μ 為爐門與爐口護(hù)板間滑動(dòng)摩擦因數(shù)，μ=0.3。

靜摩擦阻力R1=N×（2f+μ1×d）/D。

式中：f—滾動(dòng)摩擦系數(shù)， 常溫時(shí)f=0.5 mm，100 ℃時(shí)f=0.7 mm

μ1—短軸內(nèi)軸套的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，100～200 ℃時(shí)μ1=0.2

D—短軸外徑，mm

d—軸套內(nèi)徑，mm

通常在爐門處于壓緊情況下， 對(duì)爐門的提升力P 很小，甚至為零。 因?yàn)橥Ｖ剐盘?hào)是在爐門到位后發(fā)出的， 滯后的信號(hào)使得減速電機(jī)在剎車前總會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)很小的角度，從而使提升用的鏈條松弛下來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)基本屬于這種情況。

在P=0 情況下，令A(yù)=（2f+μ1×d）/D，求得：

F=G×（cosα-A×sinα）/[μ×（cosα-A×sinα）+（sinα+A×cosα）]（N）

令B=（cosα-A×sinα），C=（sinα+A×cosα）

以實(shí)際使用爐門為例，D=80 mm，d=50 mm，α=33°，按100 ℃計(jì)算，A=0.14；對(duì)于重1 000 kg 的爐門（含耐材），G=1 000 kg×g=9 800 N，其壓緊力F=8 359 N。

如果α=45°，其余同上，則F=6 002 N。 可見(jiàn)，α=33°可得到更大的壓緊力。

這種壓緊方式適用于配重比較小的情況， 比如取10%～20%的爐門重量作為配重，相應(yīng)地，所需爐門驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率較大。 若采用較大的配重， 比如100%平衡配重，還配備原來(lái)那么大的電機(jī)就不合算了，但如果配備小電機(jī)，就不能在爐門停止后帶動(dòng)配重，這樣，就對(duì)停止后的爐門施加了很大的向上的拉力P，在P≠0 情況下，由方程（1）和（2）得：

通常β=0.5°~1°， 使用中β=0.86°， 如果P=G1=G=9 800 N（假設(shè)減速電機(jī)剎車后，配重的力仍作用在提升鏈條上， 并略去鏈條與鏈輪之間的摩擦阻力），α=33°，其余參數(shù)同上，則F 為負(fù)值，顯然不合理，即不可能對(duì)爐門產(chǎn)生壓緊力。 如果P=G1=80%×G，則F=1 584 N；如果P=G1=20%×G，則F=6 664 N；可見(jiàn)，對(duì)于采用自重式壓緊機(jī)構(gòu)的爐門，只能配置很小的配重。

2 臺(tái)車牽引機(jī)構(gòu)

在文獻(xiàn)[1]中詳細(xì)介紹了多種臺(tái)車牽引機(jī)構(gòu)，如鈍輪-銷齒條式牽引機(jī)構(gòu)、鋼繩牽引機(jī)構(gòu)、自行式牽引機(jī)構(gòu)等。

本文介紹的是一種浮動(dòng)式齒輪-齒條牽引機(jī)構(gòu)，該牽引機(jī)構(gòu)位于爐口的地坑內(nèi)， 除大齒輪的少部分齒露出地面外，其余大部分均位于地坑內(nèi)，上面用鋼板將地坑蓋住。該牽引機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)，就是驅(qū)動(dòng)裝置中的齒輪箱采用浮動(dòng)設(shè)計(jì)，即：齒輪箱一端通過(guò)銷軸與固定機(jī)架連接， 另一端則通過(guò)下部有蝶簧的螺桿與機(jī)架連接（見(jiàn)圖5）。

圖5 浮動(dòng)式齒輪-齒條牽引機(jī)構(gòu)示意圖

運(yùn)動(dòng)時(shí)大齒輪與齒條之間的受力情況如圖6 所示。 齒條給大齒輪的作用力Fn（法向力）分解為分度圓上圓周力（切向力）Ft 和徑向力Fr。 Ft=T/r，F(xiàn)n=Ft/cosα，F(xiàn)r=Ft×tanα，α 為壓力角，r 為大齒輪分度圓半徑，T 為大齒輪傳遞的扭矩。

這個(gè)徑向力向下壓大齒輪， 又通過(guò)齒輪箱傳遞給固定銷軸和碟簧，碟簧受力后壓縮，齒輪箱就會(huì)以固定銷軸為中心做小幅度的擺動(dòng)。正常運(yùn)行情況下，這種浮動(dòng)結(jié)構(gòu)可以在運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)調(diào)節(jié)由于齒條變形（臺(tái)車變形）及安裝制作誤差導(dǎo)致的過(guò)大或過(guò)小的齒側(cè)間隙，保證齒輪與齒條間的良好嚙合。除此之外，這種浮動(dòng)結(jié)構(gòu)還有在臺(tái)車啟動(dòng)（或停止）時(shí)減緩輪齒沖擊的作用，分析如下：

圖6 大齒輪與齒條之間的受力分析圖

臺(tái)車啟動(dòng)時(shí)需克服的阻力， 除臺(tái)車自重及料重產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)阻力外， 還有很大的慣性力：Fg=-ma（N），慣性力Fg 是質(zhì)量m 與加速度a 的乘積。 啟動(dòng)越快，則加速度越大，慣性力也就越大。

關(guān)于臺(tái)車車輪運(yùn)行阻力的計(jì)算，文獻(xiàn)[1]中給出如下的公式：

式中:F—運(yùn)動(dòng)阻力，N

G—臺(tái)車自重（含砌體重量），kg

Q—臺(tái)車裝載量（含墊鐵重量），kg

D—車輪直徑，mm

d—軸徑，mm

g—重力加速度，m/s2

μ—軸承摩擦因數(shù)

f—滾動(dòng)摩擦系數(shù)，mm

β—考慮輪緣側(cè)面、軌道安裝不平、砂封結(jié)渣等因素造成的附加阻力系數(shù)， 對(duì)于滑動(dòng)軸承，β=1.25～1.5，對(duì)于滾動(dòng)軸承，β=2～4

德國(guó)工程師通常采用下式計(jì)算車輪阻力：

式中，c 為輪緣側(cè)面摩擦因數(shù)，c=0.04。

該式明確給出了輪緣側(cè)面產(chǎn)生的摩擦阻力。

由于式（5）中β 值給了一個(gè)比較大的范圍，因此，式（6）顯得更精確一些。

若D=360 mm，d=90 mm，μ=0.03，f=0.8 mm，由式（6）得：F=0.51×（Q+G）（N）

而慣性力Fg=-ma=-（Q+G）×a（N）；

假設(shè)臺(tái)車啟動(dòng)后正常運(yùn)行速度為υ=6 m/min=0.1 m/s，據(jù)公式υ=υ0+aτ，初始速度υ0=0，則a=υ/τ，若采用減速電機(jī)直接啟動(dòng)，無(wú)變頻，也不用文中介紹的這種浮動(dòng)齒輪箱設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算上述100 t 載荷的臺(tái)車驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)時(shí)間約0.5 s， 則Fg=0.2×（Q+G）（N），即慣性力約等于40%的臺(tái)車行走阻力。

采用浮動(dòng)齒輪箱后，啟動(dòng)時(shí)，在徑向力Fr 的作用下，大齒輪的輪齒會(huì)在嚙合的齒條的齒廓（齒條的輪廓為直線）上滑動(dòng)，在現(xiàn)場(chǎng)可以觀察到當(dāng)臺(tái)車啟動(dòng)時(shí)碟簧會(huì)有一個(gè)明顯的壓縮， 尤其對(duì)于重載臺(tái)車更為明顯。 同時(shí)，圓周力Ft 推動(dòng)齒條向前運(yùn)動(dòng)，在啟動(dòng)過(guò)程中， 電機(jī)也會(huì)以大于額定轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)啟動(dòng)，臺(tái)車（齒條）的啟動(dòng)速度會(huì)由于輪齒的滑動(dòng)而減?。ǚ纸獬鲆粋€(gè)滑動(dòng)分速度），因此，臺(tái)車啟動(dòng)的加速度a 值就會(huì)減小，進(jìn)而減小了慣性力Fg。 當(dāng)臺(tái)車啟動(dòng)后，慣性力消失，齒條施加于齒輪的徑向力Fr 減小，在碟簧的作用下，齒輪與齒條的嚙合恢復(fù)到正常狀態(tài)。

因此，這種浮動(dòng)設(shè)計(jì)可以有效減小臺(tái)車啟動(dòng)（及停止）時(shí)的慣性力，減緩了啟動(dòng)（及停止）時(shí)對(duì)輪齒的沖擊。 此外，齒輪齒條傳動(dòng)是比較精確的傳動(dòng)，因此可以保證較準(zhǔn)確的停位，而只有準(zhǔn)確停位，才能保證臺(tái)車與爐體以及臺(tái)車與爐門之間有良好的密封。

3 結(jié)論

采用本文介紹的自重式壓緊機(jī)構(gòu)， 需配置小于20%爐門重量的較小配重， 這樣才能使?fàn)t門得到很大的壓緊力。采用本文介紹的浮動(dòng)式齒輪-齒條牽引機(jī)構(gòu)，不僅可以在正常運(yùn)行情況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)由于齒條變形（臺(tái)車變形）及安裝制作誤差導(dǎo)致的過(guò)大或過(guò)小的齒側(cè)間隙，保證齒輪與齒條間的良好嚙合，還可以在臺(tái)車啟動(dòng)（或停止）時(shí)減緩對(duì)輪齒的沖擊。 多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明， 文中介紹的這種壓緊機(jī)構(gòu)以及浮動(dòng)式齒輪-齒條牽引機(jī)構(gòu)均具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行可靠、使用效果好、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，值得在工業(yè)爐領(lǐng)域推廣應(yīng)用。