(27)--电解25_t桥吊大车运行附加阻力的分析.pdf

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1、电解 25 t桥吊大车运行附加阻力的分析摘要:由铝厂电解桥吊集中驱动引发的车轮磨损现象,阐述了桥吊大车运行时几种附加阻力产生的原因,结合力学和运动学相关原理,将车轮偏斜阻力、车轮直径差所产生的附加阻力、轮缘阻力进行了分析。并就轮缘磨损的主因,定性地列出了几种附加阻力的计算。着重对这几种附加阻力的影响因素进行了讨论,并对车轮的安装提出了合理的建议。实际上由于轨道与轮缘之间的间隙与弹性滑移影响,情况更加复杂。但是这样的简化分析对了解集中驱动方式的主要特性却是有益的。关键词:集中驱动;啃道;滑动速度;附加阻力;偏斜角;轮缘磨损;桥吊中图分类号:TH215文献标识码:B1电解 25 t桥吊工作概况铝厂

2、一期电解 4台 25 t桥吊,是日本 20世纪 50年代后期设计制造的,大车运行机构采用集中驱动,跨度为 18.4 m,车轮踏面为圆柱,轨道为 38 kg的起重轨。在实际运行中产生很大的侧压力,严重啃道,导致轮缘磨损,从而导致车轮报废。现就这 4台桥吊大车运行时附加阻力进行分析来阐明啃道的原因,以便于在生产实际中应用。2电解 25 t桥吊大车受力分析大车运行时总摩擦阻力 Wm为车轮轴承摩擦力 W1、车轮的滚动摩擦阻力 W 2、以及车轮轮缘与轨道间的摩擦力W 3之和。用附加阻力系数 来表示附加摩擦力 W 3,则:Wm=W1+W2+W3=(Q+D)(d+2f)D/式中:G-运行部分重量;Q-额定起

3、重量;d-车轮直径;-车轮轴承摩擦系数;f-滚动摩擦系数。车轮运行时的附加阻力主要有:车轮偏斜阻力、主动轮直径差引起的阻力、轮缘阻力。虽然这些阻力在总摩擦阻力计算中已用 加以考虑,但在处理实际问题时则需要详细了解。2.1车轮偏斜阻力当车轮轴线不与运行方向垂直时,车轮踏面与轨道顶面之间就会发生滑动,产生摩擦力,方向与滑动的相对速度相反,大小为 P,P为车轮轮压。这时忽略弹性滑移现象。对于从动轮来说,这个摩擦力在运行方向的分量构成运行的附加阻力,与运行方向垂直的分量构成车轮的侧压力;对于主动轮,它在运动方向的分量构成运行驱动力,与运动方向垂直的分量是车轮的侧压力。这和车轮的侧压力与其它原因产生的侧

4、压力的总和,由车轮轮缘承受,这时就产生啃道,引起轮缘阻力,并产生轮缘磨损。图 1示出偏斜角为的从动轮在运行中的情况。图 1从动轮的偏斜车轮轴的速度就是起重机的运行速度 ,车轮接触点相对于起重机的速度为 zh(圆周速度),它是在车轮的圆周方向,与 之间的夹角为 。车轮接触点的绝对速度就是车轮与轨道间的滑动速度 h,应当等于前两者之和:h=+zh车轮与轨道间的摩擦力 P 应与 h的方向相反。对于从动轮来说,如果忽略轴承中的摩擦力,P力对于车轮轴的力矩为零。因此,P应当在车轮轴的方向,也就是说,从动轮的 h必定在车轮轴的方向。由图 1可知,h的大小为:h=sin 这说明车轮的偏斜角愈大,滑动速度愈大

5、,磨损愈严重。摩擦力 P在运行方向的分力 W x就是车轮偏斜的附加阻力,P在垂直于运行方向的分力就是侧压力 S,两者分别为:Wx=Psin PS=Pcos P安装合理的 0.001,0.20.001=0.002,可以忽略不计。这样看来,车轮安装偏斜直接产生的附加阻力是微不足道的,但决不能因此低估车轮偏斜带来的危害。车轮偏斜除了会引起踏面与轨顶的磨损外,更严重的是侧压力 S所引起的啃道现象。实践证明:起重机的啃道绝大多数是由于车轮的安装偏斜引起的。由于车轮与轨道接触处有微观的弹性变形,当 很小时,实际的侧压力见图 2,即:当 0时,S=P 1-(1-)2当 0时,S=P00.004 0.007。

6、图 2车轮的弹性滑移当车轮或轨道的支承部分刚性不足时,还能看到车轮有周期性的弹动现象,发生周期性的强烈响声。其过程大致是这样的:当偏斜的车轮运行时,最初并不发生滑动,由于车架与轨道支承结构的弹性,车轮可以向侧方位移,侧压力随位移大小成比例增加。当 S增长到 0P时(0为车轮与轨道间的静摩擦系数,一般大于动摩擦系数 )开始滑动,这时摩擦力突然降为 P,它小于弹性恢复力,于是车轮骤然弹回,发出强烈的响声。此后这种现象周而复始地循环进行。图 3示出了偏斜角为 主动轮在运行中的情况。P在运行方向上的分力为驱动力 Pq,在垂直于运行方向的分力为侧压力 S。根据驱动力的大小决定了摩擦力 P 的方向,同时也

7、就决定了滑动速度 h的方向。图示方向角 可由下式求出:sin=Pq/P=式中:-驱动负荷系数。主动轮的侧压力与驱动力的大小有关,随着 Pq的增大,S降低,它们的关系为:S=(P)2-P2qu=P1-2=P cos实际的运行速度 可由下式求出:=zh sin(90o-)/sin(90o+),即:=zh(1-/1-2)(1-/1-2)为了不使运行速度过分降低,主动轮的驱动负荷系数 与主动轮的偏斜角 有关。为了保证足够的驱动力,应当限制偏斜角 。由图 3还可以看出,主动轮的滑动速度 h也随着主动轮的偏斜角 与驱动力 Pq的增大而增加。因此,为了减少主动轮踏面的磨损,也应当尽量减少主动轮的偏斜角。图

8、3主动轮的偏斜以上是不考虑弹性滑移的理论结果。实际上考虑了弹性滑移后,在一定的偏斜角 0的范围内,侧压力 S依 的降低而下降。2.2主动轮直径不相等产生的阻力桥式起重机的集中驱动运行机构中,如果两主动轮直径不同,忽略弹性滑移,必有一车轮打滑,引起附加阻力。由于轮压不一定相等,一般来说,当驱动力不大时,轮压较低的车轮打滑。在这种情况下,车轮直径不同所产生的严重后果,不在于它直接产生的附加阻力,而是由车轮摩擦力所引起的严重的啃道轮缘压力,产生严重的啃道现象,使车轮与轨道磨损,并引起轮缘附加阻力。2.3轮缘阻力(啃道阻力)啃道的车轮轮缘与轨道的接触情况见图 4。轮缘与轨道的侧面的接触点的位置依车轮与

9、轨道的断面形状及其偏斜角而定,但总是在图示断面线的区域内,例如 A 点。压力S在 A点产生摩擦力 S,它的方向垂直于 OA,因为 O 点是车轮运动的瞬心,A 点的滑动速度垂直于 OA,对 O点的力矩方程为:Wy D/2=ShWy=S 2 h D/式中:Wy-轮缘摩擦阻力。h在 O与 h0=OB之间变动,可按 h=h0/2值算,即轮缘宽度:h=h0/2=(D+a)a/2Da/2图 4轮缘阻力(下转第 53页)49第 2期 陈大雄等:电解 25 t桥吊大车运行附加阻力的分析究的深入,半石墨质阴极炭块正愈来受到人们的关注。半石墨质阴极炭块的理化指标见表 3,此指标适用于原料煤经电阻炉高温热处理的半石

10、墨化炭块制品。表 3半石墨质阴极炭块的理化指标项目一级二级灰分(%)88真比重(g/cm3)1.841.84假比重(g/cm3)1.481.48气孔率(%)2022比电阻(mm/m)4550抗压强度(kg/cm3)315300膨胀率(%)1.21.53.2半石墨质阴极炭块的特性及应用半石墨质阴极炭块除了具有普通阴极炭块所具有的特性外,它还具有较强的的抗钠侵蚀性能。而铝电解槽的寿命主要与阴极内衬的抗钠侵蚀性能有关。如果炭块的抗钠侵蚀性能差,则它的钠膨胀率高,所造成的膨胀应力就大。用作侧部炭块时半石墨质阴极炭块良好的导热性能使电解槽的侧部散热好,有利于形成炉帮,减少侧部漏电,从而保护炭块免受电解质

11、的直接冲刷和侵蚀,即形成规整炉膛。因此,在电解槽上采用半石墨质阴极炭块有利于延长寿命。与普通炭块相比,半石墨质阴极炭块具有较小的比电阻,从而降低了炉底压降,如果保持相同的工作电压,则使极距相对提高。在其他条件不变的情况下,极间距的增大加长了溶解铝由阴极向阳极的转移过程,减少了铝液的浓度梯度,降低了铝的扩散速度。同时电解液的循环和对流也会减弱,阳极气体的数量有所减少,这就相应地减少了溶解铝与阳极气体的二次反应,减少了铝的损失,提高了电流效率。另外,通过对国内外使用半石墨质阴极炭块企业的大量数据分析,采用半石墨质阴极炭块后,由于槽寿命延长,炉底压降明显降低,炉膛规整稳定性好,槽内电流分布均匀,使电

12、解槽的生产管理较为方便,电解槽能够多产铝,这也是电流效率提高的一个原因。槽底电压降是铝电解生产的一项重要指标。半石墨质阴极炭块有着较小的比电阻,使得使用该炭块的电解槽的槽底电压降即炉底压降较低。有试验表明,使用半石墨质阴极炭块的电解槽的炉底压降比使用普通炭块的电解槽的炉底压降低 56.42mV(第一年)。可见,应用半石墨质阴极炭块是降低炉底压降和节能降耗的重要途径。由于半石墨质阴极炭块的比电阻较低,自身产生的欧姆热较小,而半石墨质阴极炭块的导热率又较大,使电解槽炉底的热收入小于热支出,造成电解槽炉底易处于冷行程。特别是当铝液水平过高时,炉帮伸腿易长,甚至产生炉底结壳,炉底电压降有可能升高。因此

13、,使用半石墨质炭块的电解槽需要加强炉底保温。参考文献:1 沈泽方.铝电解 M.中国有色金属工业总公司职工教育教材编审办公室,1988.2 任凤郁.半石墨质炭块在电解槽上的应用 J.轻金属,1994,11.收稿日期:2004-12-06(上接第 49页)代入式得轮缘阻力系数:y=通常,a=0.06D,=0.2,所以:y0.05轮缘与轨道间的滑动速度为:vh=h=Da/2 v D/2=va D/0.245v由式可以看出,车轮的滑动速度与起重机的运行速度成正比。综上所述,要改善集中驱动桥吊的啃道现象,啃道时所产生的侧压力可能由车轮车轮轮缘全部承受,也可能全部或部分地由车轮踏面与轨道间的摩擦力承受。由

14、于实际运行中的振动,最可能的情况仍然是由轮缘全部承受。这时所产生的附加阻力由式、可知为:Wy=2yS如果忽略运行阻力,根据力学原理,由于打滑,车轮与轨道间必然产生摩擦力 Pm in(Pm in是较小的主动轮轮压),在另一车轮上也产生一个相持相反的力,两个力构成一个力偶,这个力偶与前后车轮侧压力 S所构成的力偶平衡。所产生的侧压力 S的大小为:S=Pm in L K/式中:L-起重机的跨度;K-起重机的轮距。侧压力的大小与 L/K 成比例。当桥式起重机的小车在跨度中央时,4个车轮的轮压大致相等,这时 Pm in为最大值:Pm in=(G+D)/4这时侧压力也最大:S=1.2Pm in=0.3(G+Q)所以由式、得:Wy=20.050.3(G+Q)=0.03(G+Q)这项轮缘附加阻力远远超过了正常的运行阻力,因此,应当尽可能将车轮安装正确。在安装桥式起重机的车轮时,尽量使车架两侧车轮的偏斜角最小,并且尽量使偏差方向相反,以使所产生的侧压力互相抵消或部分抵消。同时,主动轮的更换要保证直径误差尽量小,从而减轻啃道压力,提高传动效率,减少轮缘磨损,确保桥吊安全运行。参考文献:(略)收稿日期:2004-12-06作者简介:陈大雄(1966-),男,机械工程师。53第 2期 田小卫:半石墨质阴极炭块在铝电解槽上的应用