工具小車回轉裝置結構改進及回轉支承的選型計算

張世軍

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

工具小車回轉裝置結構改進及回轉支承的選型計算

張世軍

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

本文闡述了鋁電解多功能機組工具小車回轉裝置結構在實際應用過程中存在問題及不足，主要表現在由于空間結構限制，回轉裝置中回轉支承上、下把合螺栓的檢修維護十分困難，更換難度大且成本較高。針對以上問題，本文提出了回轉裝置的改進設計結構方案并介紹了回轉裝置關鍵部件回轉支承的選型計算方法，明確了回轉支承的選型依據及具體計算方法，有利于縮短鋁電解多功能機組的檢修維護周期，保證鋁電解多功能機組的穩定運行效率，從而提高電解鋁生產效率，具有十分重要的意義。

鋁電解多功能機組； 回轉裝置； 結構改進； 回轉支承

0 前言

鋁電解多功能起重機是大型鋁電解生產的關鍵操作設備，隨著制鋁行業中的電解槽技術朝著大容量預焙電解槽技術的方向發展，為保證預焙電解槽現代化、高效率的平穩生產，要求鋁電解多功能起重機具備更加完備的功能，運行更加穩定，同時也要保證設備日常維護、維修更加便捷省力。

鋁電解多功能機組主要由大車、工具小車及出鋁小車幾部分組成。工具小車是鋁電解多功能機組的核心，機組對鋁電解槽進行各項操作功能的工具機構通過工具回轉裝置安裝在工具小車橫梁框架上。其中，工具回轉裝置是工具小車上各項工具滿足全方位操作而實現旋轉功能的核心部件。工具回轉裝置中的回轉支承位于整個工具小車的最上部，是連接工具支架和頂部結構的關鍵部件?；剞D裝置主要是通過液壓馬達進行驅動，并通過回轉軸承將旋轉運動傳遞至工具支架。由于各項工具及其操作產生較大作用力，使得工具回轉裝置在一定程度上存在安全隱患。此外，鋁電解多功能機組所處環境惡劣，工具實現的操作對象為大電流、高溫液態熔融金屬等高危物質，無論是對工具本身，還是工具運行的穩定性和可靠性都有較高要求。為此，本文在詳細分析工具回轉裝置結構及其響應動作的基礎上，指出現有結構存在的弊端，并進行了結構改進。此外，還對回轉支承選型提供了一種計算方法。

1 回轉裝置結構

鋁電解多功能起重機工具小車的設計需要考慮廠房屋頂標高等限制條件，再加上各項工具在電解車間實現旋轉應處于水平面內。從而，工具回轉裝置設計時需要考慮旋轉驅動力與結構重量和承載力的垂直關系。因此，在結構設計和機構之間的連接方法上應慎重考慮。鋁電解多功能機組則主要通過設置支架方式來連接工具小車框架橫梁與回轉裝置、回轉裝置與工具支架。工具回轉裝置由上蓋、下蓋、回轉支承組成，位于在回轉上支架和回轉下支架之間(如圖1所示)。其中，回轉支承為裝置的核心結構?；剞D支承是滾動軸承式結構，由內圈、滾動體及具有外齒的外圈組成?；剞D支承外圈上的上部把合螺栓穿過上蓋與回轉上支架相連，從而使回轉裝置得以穩定固定。而回轉支承內圈上的下部把合螺栓穿過下蓋與回轉下支架相連，以實現回轉裝置的承載連接結構。工具回轉裝置依靠液壓回轉馬達驅動小齒輪，帶動回轉支承內圈與下支架旋轉，從而安裝在回轉下支架下方的工具支架也就實現了沿著回轉中心作圓周運動的響應動作。

圖1 工具小車回轉裝置結構示意圖

現有工具回轉裝置結構存在的問題是：回轉支承是通過內外圈上設置的把合螺栓與回轉上、下支架連接；而把合螺栓屬于易損件，極易發生損壞，若不及時更換，將會影響整個工具回轉裝置的運轉，乃至工具回轉裝置下部各工具的使用。然而，把合螺栓一旦損壞，由于結構所限，把合螺栓頭部均在工具回轉裝置上蓋和下蓋中；因此，不能及時抽出螺栓進行更換，而只能借助外部吊運設備將工具回轉裝置的上蓋，以及整體托起后進行更換，檢修維護十分困難，且成本較高。

2 回轉裝置改進后結構

為了避免上述問題發生，對回轉裝置進行結構優化。改進后，工具回轉裝置結構的主要特點是：為方便上、下部把合螺栓的維修更換，分別在上蓋和下蓋把合螺栓的圓周上分別設置檢修孔，大小應保證把合螺栓能夠從此孔取出(如圖2、3所示)。

其中上蓋上的檢修孔是設置在上部把合螺栓圓周上的圓孔，開孔上方設置有一鋼板把合在上蓋上，以保證工具回轉裝置正常使用時防塵。當上部把合螺栓損壞時，即可打開此鋼板，通過上蓋上的檢修孔取出損壞的把合螺栓進行更換；下蓋上的檢修孔是設置在下部把合螺栓圓周上的圓錐孔，由于回轉裝置下蓋盛裝液態機械油，因此設計帶螺紋的螺塞用于封堵此圓錐孔，以保證下蓋的密封性。當下部把合螺栓損壞時，即可打開此螺塞，通過下蓋上的檢修孔取出損壞的把合螺栓進行更換。

圖2 工具小車回轉裝置剖面示意圖

圖3 第一檢修孔與第二檢修孔位置示意圖

另外由于工具回轉裝置的結構比較復雜、空間有限，因此檢修孔的位置確定必須兼顧各機構的回轉運行情況，例如第一檢修孔不應在第二檢修孔和回轉中心的連線上，以方便操作人員進行檢修。

該改進結構是在原有結構的基礎上實施的，既不更改原結構特點，又不對原結構加工工藝有影響，還能滿足結構檢修、油路清洗與更換等保養和維護工作的便捷性需求。此外，早期在電解車間運行的鋁電解多功能機組也可進行該改進結構的改造施工，可操作性好，且效果顯著。

3 回轉裝置回轉支承的選型計算

鋁電解多功能機組工具回轉裝置中回轉支承應用的是滾動軸承式結構，并在軸承外圈帶有齒。這種結構的優勢在于回轉支承結構尺寸緊湊，性能完善，可以同時承受垂直力、水平力和傾覆力矩。綜合考慮工具小車的受力特點及實際使用工況，選用單排交叉滾柱式回轉支承。它由兩個座圈組成，滾柱軸線1∶1交叉排列，接觸壓力角為45°。滾柱與滾道間是線接觸，能承受徑向力、軸向力、傾翻力矩，這種回轉支承制造精度高，裝配間隙小，安裝精度要求也較高，符合工具小車回轉裝置的使用要求[1]。

回轉支承在使用過程中，一般要承受軸向力、徑向力以及傾覆力矩的共同作用，對不同的應用場合，由于主機的工作方式及結構形式不同，上述三種載荷的作用組合情況將有所變化，有可能是兩種載荷的共同作用，也可能僅僅是一個載荷的單獨作用。

鋁電解多功能機組的具有工具操作和出鋁工作等功能，而回轉裝置僅對各項工具起承載和旋轉響應，因而其回轉支承具有兩種工作狀態：即一是在不使用工具時，回轉支承僅承受來自各項工具重量的軸向靜力載荷作用；二是工具旋轉時，不僅承受軸向靜力載荷，還承受來自工具吊重引起結構偏心產生的傾覆力矩作用。

對單排交叉滾柱式回轉支承的選型計算，首先要考慮工具回轉裝置的結構特點。由于工具回轉裝置設計時應考慮實際使用中各項工具的回轉半徑，以此確定回轉裝置的回轉半徑。因此，回轉支承選型時首先要滿足工具小車回轉半徑的要求。

之后，根據已經確定的回轉半徑初步選擇回轉支承的型號，再進行回轉支承承載能力的計算，以保證所選型號滿足實際工況要求。一般來說，回轉支承承載能力計算的原則是：根據回轉支承的靜承載能力曲線進行選型計算；根據回轉支承的動態工況，驗算回轉支承的動承載能力是否滿足要求。

(1)應用承載能力曲線進行選型計算

回轉支承一般受復合載荷Fa，Fr和M共同作用，為了便于根據制造廠家提供的承載能力曲線(Fa—M曲線)選擇回轉支承型號，應將復合載荷分量換算為當量載荷。

單排交叉滾柱式回轉支承的當量載荷F′a，M′計算公式：

F′a=(ka·Fa+kr·Fr)fs

(1)

M′=Mfs

(2)

式中F′a—回轉支承當量中心力，N；Fa—總軸向力，N；Fr—在力矩作用平面的總徑向力，N；M′—回轉支承當量傾翻力矩，N；M—傾翻力矩，N；fs—回轉支承靜態工況下安全系數，根據《起重機設計手冊》中表3- 4- 2回轉支承工況系數可以確定fs=1.45；

ka,kr—載荷換算系數，隨回轉支承結構不同取不同值，根據《起重機設計手冊》中表3- 4- 3回轉支承載荷換算系數可以確定ka=1.225,kr=2.676。

將計算得到的當量載荷F′a，M′的值在回轉支承承載能力曲線圖(Fa—M曲線，如圖4所示)中找出對應的點，當該點位于某一型號回轉支承承載能力曲線[2]以下時，則說明該型號回轉支承滿足使用要求。

1.靜容量 2.動容量圖4 回轉支承承載能力曲線圖

回轉支承是保證結構旋轉和承載的關鍵部件，而連接螺栓則是保證回轉支承正常工作和穩定運行必不可少的緊固零件。因此，連接螺栓選擇的正確與否也至關重要。連接螺栓的選型原則是，在承載能力曲線中，按靜態工況計算得到的當量載荷F′a，M′的坐標交點落在所選螺栓(8.8級、10.9級、12.9級)曲線的下方?；剞D支撐與回轉裝置安裝時，安裝連接螺栓的預緊力應達到螺栓材料屈服強度的0.7倍。

連接螺栓允許最大預緊力Fs的計算公式：

Fs=0.7σs·As

(3)

式中σs—螺栓材料屈服強度，數值可查表1；As—螺栓計算截面積，As=(1.022d1)2π/4(mm2)；

d1—螺紋底徑，mm。

表1 螺栓材料性能表

在螺紋和螺帽端面涂油的情況下，安裝時扳手上允許的最大預緊扭矩My的計算公式：

My=0.2Fs·d

(4)

式中d—螺紋名義直徑，mm。

(2)按動態工況校核壽命

F′a=(Fa+2.05Fr)fd

(5)

M′=Mfd

(6)

式中fd—回轉支承動態工況下安全系數。

一般回轉支承選型采用上述計算方法進行。當對回轉支承運行平穩性、速度、齒輪傳動以及把和螺栓和工藝處理有特殊要求時，還可根據實際需求，進行詳細設計計算，在此不作詳細論述。

4 結論

回轉裝置在工程機械領域應用廣泛，區別于工程機械的鋁電解多功能機組，其回轉裝置使用環境較為惡劣，而回轉裝置的可靠性也是鋁電解多功能機組穩定運行的重要因素之一，不斷從實踐經驗中發現回轉裝置的應用弊端，并加以改進是回轉裝置應用日益趨于專業化的助推動力。本文根據對回轉裝置的結構和使用情況的分析結果，對回轉裝置在維護性能上進行了改進。改進設計后結構更加緊湊，且結構合理、使用可靠，使有限空間得到充分利用，即擴大了改進回轉裝置的功能；把合螺栓檢修維護方便、提高生產效率，最大限度地降低了人工檢修維護作業帶來的勞動強度；另外，改進設計所需成本低，同時能夠大大降低日常檢修維護的費用，具有極大的推廣和使用價值。

[1] 張質文，虞和謙.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2] JBT2300—2011，回轉支承標準[S].

[3] GB/T 3811—2008，起重機設計規范[S].

Improvement of Tool Trolley Rotary Device Structure and Calculation of Slewing Bearing Type Selection

ZHANG Shi-jun

This paper describes problems and shortcomings in the practical application of rotary device structure existing in the process, proposes an improved design structure of rotary device, introduces the selection calculation method of the rotary device key components slewing bearing, clears rotary bearing selection basis and the concrete calculation method, shortens the maintenance period of the PTM, improves the efficiency of the PTM, improves the efficiency of the electrolytic aluminum production, has vital significance.

pot tending machine； rotary device； structure improvement； slewing bearing

2015-02-25

張世軍(1962-)，男，大學本科，遼寧沈陽人，教授級高級工程師，主要從事科技管理和新產品研發工作，現任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司設計研究院院長。

TF821

B

1003-8884(2015)03-0029-04