摘要本文从上料系统能力的校核、料坑、斜桥及卷扬机的改造设计等各方面介绍了斜桥上料系统的设计特点，详述了提高料车斜桥上料的改造内容和措施；并对斜桥上料的计算过程进行了详细说明，为设计提供了理论依据。

关键词料车卷扬机斜桥上料改造设计

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改造内容及现状

国鑫1号高炉于2010年投产，日产量在2300t左右，并且炉缸温度偏高，生产不稳定，无法满足炼钢和轧钢3000t/d的能力要求，因此拟建设改造2号高炉。2#高炉原设计炉容为660m3，现场矿焦槽、高炉本体、出铁场、热风炉及干法除尘区域的土建基础都已经施工完毕，现将高炉炉容提高至850m3，要求每天具备3000t的产量，以替代1#高炉。为了节省项目投资，业主要求尽可能的利旧原有的土建结构。本文以此高炉为例，详述了斜桥上料系统的设计特点，以及提高料车斜桥上料能力的具体改造措施和注意事项。表1为2#高炉改造前后的主要技术经济指标。

2上料系统能力的校核

斜桥上料设备主要包括：料车，料车卷扬机，钢丝绳及绳轮。由于料坑及卷扬机室的结构基础已经施工完毕，需要对料车的有效容积和卷扬机的作业率进行校核，并核算原有的结构基础是否可以利旧。

2.1  料车有效容积的校核

按日产铁量3000t/d计算，吨铁矿石耗量为1.681t，吨铁焦炭耗量为0.365t，则上料矿批量平均约28t，焦批量平均约7t。一般情况下每批料由两车焦和两车矿或三车矿组成，最多由三车焦和三车矿组成。原料车有效容积设计值为5.5m3，无法满足上料能力的要求，需要扩大料车的有效容积。另外，料车的有效容积还应与炉顶设备的料罐有效容积相匹配，综合考虑，料车有效容积按8m3来进行设计。

2.2  料车卷扬机作业率的校核

料车最大运行速度按2.5m/s考虑，根据料车运行速度和运行轨迹，料车运行一次的时间为35~40s，每批料由4至6车组成，集中斗卸料时间控制在25s以内，则每批料的上料总时间为：

T=(4~6)×(40+25)=260~390s

卷扬机昼夜装料批数：

由此可知，采用4车制时，卷扬机最大上料批数为332批，采用6车制时，卷扬机最大上料批数为222批。

料车有效容积按8m3，高炉日产铁量按3000t/d计算，需要上料批数M′=3000x1.681/28=180批，则采用4车制正常上料时，卷扬机作业率为180/332x100%=54.2%；采用6车制赶料时，卷扬机作业率为180/222x100%=81%，可以满足高炉正常生产和赶料要求。

3  上料系统的改造

国鑫2#高炉采用斜桥上料，原设计斜桥型式为实腹梁式。

（1）斜桥料坑段土建部分已经施工完毕，斜桥上直线段及卸料曲轨段均未施工。斜桥在料坑段设计角度为60°，料坑段料车的轨道间距设计为1454mm。

（2）卷扬机平台为混凝土结构，卷扬机的基础已经施工完毕，螺栓已预埋。卷扬机室的框架及屋面原设计为钢结构，尚未施工。

结合现场的实际施工情况及原设计的图纸，在尽可能利旧原土建结构情况下对上料系统进行扩容改造具体改造内容如下。

3.1  料坑的设计改造

高炉扩容改造后，料车有效容积由5.5m3加大至8m3。由于现场料坑土建结构已经施工完毕，为了减少改造时间和改造成本，尽量不破坏原有的土建结构，对料坑作如下设计改造。

（1）料坑段斜桥角度为60°，保持料车轨距1454mm不变，只对料车进行加高加长改造。

（2）料车加长后，由于料坑深度无法满足料车的装料要求，需要挖深。设计过程中，若在结构强度允许的情况下，可以加大料坑的挖深范围，便于生产中清理物料。本工程结构强度不允许，只能在料车底部挖深一小部分，以满足料车装料要求。

（3）料坑中的焦炭集中称量斗与矿石集中称量斗的有效容积加大至8m3，以适应料车的容积要求。

为了保证矿石焦炭能够正常卸到料车中，不造成洒料现象，且保证料车在运行过程不与称量斗干涉，设计时还应注意料车与称量斗之间的距离要求。

3.2  斜桥的设计改造

斜桥现场未施工，本工程斜桥重新设计，采用桁架式结构形式。斜桥走行轨道分为料坑内直线段、斜桥上直线段以及炉顶卸料曲轨段三部分。其中料坑内直线段斜桥角度为60°，斜桥上直线段斜桥设计角度为57.1399°。

3.2.1  炉顶卸料曲轨段设计

斜桥的炉顶卸料曲轨的形式有多种，本工程采用的曲轨形式见图4。此种形式的卸料曲轨结构简单，易于制造。为保证料车的稳定性和卸料迅速干净，防止料车向高炉侧翻，料车在卸料曲轨的极限位置时的设计角度为60°。

在炉顶卸料曲轨设计完后，还需要验证料车在曲轨的自返条件，以保证空料车在自重作用下具备较大的自返力矩。料车在卸料曲轨的自返条件按下式确定[1]：

∣MF / MZ∣≥5

MF=Q•ac

MZ=ξ（R1a1+ R2a2）+（nSqH-G1）aT

其中，MF—料车在曲轨上的返回力矩，Kg.m；

MZ—阻止料车返回的力矩，Kg.m；

ξ—车轮的阻力系数，ξ=β(µd+2f)/D,（β-车轮轮缘与钢轨的摩擦系数,一般取3；µ-车轮轴承的摩擦系数，滚动轴承时取0.015，滑动轴承时取0.1；d-对于滑动轴承，为车轮轴的轴颈直径；对于滚动轴承，为轴承的平均直径；f-车轮对钢轨的滚动摩擦系数，一般取0.08；D-车轮直径）；

R1—轨道对料车前对轮的反作用力，Kg；

a1¬—料车在曲线段上时，前轮在轨道上的切点与料车瞬时回转中心间的距离，m；

R2—轨道对料车后对轮的反作用力，Kg；

a2¬—料车在曲线段上时，后轮在轨道上的切点与料车瞬时回转中心间的距离，m；

ns¬—牵引一辆车的钢绳数；

q—每米钢绳的重量，Kg/m；

H—料车拉杆上钢绳连接点与料车卷扬机卷筒中心线间的标高差，m；

G1—料车拉杆的重量，m；

aT—料车的钢绳张力作用线与料车瞬时回转中心间的垂直距离，m。

经计算，本工程中，MF / MZ的绝对值为9.7，满足自返条件，卸料曲轨设计合理。

3.2.2  斜桥的静力分析

在斜桥角度、料车外形及重量以及料车绳轮拉力方向等参数确定以后，需要对斜桥进行静力分析以确定斜桥所承受的荷载。斜桥静力分析的过程[2]如下：

（1）确定料车的重心位置，包括空料车重心、正常装料时的料车重心以及过载装料时的料车重心。计算装料时的料车重心时，先要根据物料在料车中的堆积外形计算出物料的重心，再以空料车和物料的重心为已知条件求得装料时的料车重心。

（2）确定料车卡住时钢绳张力T的大小。料车运行过程中有可能发生前轮卡住事故，会瞬间对轨道产生巨大轮压，因此需要考虑在满载装矿条件下车轮被卡时斜桥的受力情况。T的大小按下式求得:

T=(2M¬k•η•i)/DT=(2λ•Mn•η•i)/DT

式中，MK—电动机在料车卡住时的转矩，Kg.m；

η¬—卷扬机机械效率；

      i—传动机构总传动比；

λ—电动机过载系数；

      Mn—电动机额定转矩，Mn=974N/n （N—电动机额定功率，KW；n—电动机额定转数，r/min），Kg.m；

DT—卷筒直径，m。

（3）料车在斜桥上受力分析位置[3]的选择。一般情况下，可选择五个代表性的位置作受力分析，即料坑底部极限位置、空车与重车在直线段相遇时的位置、料车在卸料曲轨段后轮进入分歧轨的位置、料车在卸料曲轨段的水平位置以及料车在卸料曲轨段的上部极限位置。

（4）运用AutoCAD作图法，以料车为受力分析对象，以力的大小为边长绘制矢量三角形，分别对料车在斜桥上的五个位置进行受力分析。

表2列出了本工程的斜桥静力分析结果。本文以空车与重车在直线段相遇时的位置为例，对重车（料车超载装矿）上行的情况进行受力分析，详见图5。

R1—轨道对料车前对轮的反作用力，Kg；R2—轨道对料车后对轮的反作用力，Kg；R—R1和R2的合力，Kg；Q¬—不包括料车拉杆的空车或重车重量，Kg；T—料车卡住时钢绳的静张力，Kg；

本工程中，两车相遇，重车上行时，Q=27300Kg，根据矢量三角形得出：T=23030Kg，R=12660Kg。由R=R1+R2，R1×1608= R2×1092 得出R1=5120Kg，R2=7540Kg。

表中F为料车卡住时，前轮在轨面上切点处的卡住力；R2前有负号表明料车卡住后对压轮轨的作用力，本工程料车全程设置压轮轨。

3.2.3  绳轮的受力分析

由于料车在斜桥上行走时，料车拉杆的方向随料车位置的变化而变化，因此在对绳轮进行受力分析时，仍然需要选取料车在斜桥上的五个代表性的位置。

绳轮受到钢丝绳T1和T2两个方向的拉力，可求得其合力T，通过分解得到绳轮的水平力Tx和垂直力Ty。T1=T2，实际计算时，拉力T1和T2可选取料车在不同位置时，斜桥静力分析已求得的最大拉力值来进行计算，一般情况下，料车在卡住时拉力最大。本工程绳轮的受力分析结果见表3。

3.3  卷扬机的设计改造

3.3.1  卷扬机的设计选型

原5.5m3料车的主卷扬机设计能力正常为160KN，最大为220KN，料车容积增大至8m3后，原卷扬机能力已不能满足设计要求，需重新设计改造。8m3的料车最大装料荷载为20t，正常装料荷载为14.6t，表4给出了料车的运行时间及钢绳的行程。

根据料车的装料荷载、料车的运行时间及钢丝绳的行程等参数确定卷扬机的性能参数，表5为改造前后卷扬机性能参数对比表。

3.3.2  卷扬机室的工艺布置

根据现场情况，卷扬机的基础已经施工完毕，厂房及屋面尚未施工。与原设计一样，本次设计卷扬机室的平台为混凝土结构，厂房及屋面采用钢结构。图7为卷扬机室的工艺布置图。

主要特点如下：

（1）卷扬机室放在矿焦槽槽面之上，与炉顶液压站合建在一起。

（2）由于主卷扬机重新设计，原有的卷扬机基础无法利旧，需要凿除后重新设计。

（3）需要设置检修设施，用以检修更换主卷扬机的电机、减速机及卷筒等设备。本设计的检修设施为一台10t的电动葫芦和两台10t的手拉葫芦。

（4）需要设置钢丝绳防松报警开关，由厂家或施工单位根据现场情况负责将其安装在卷扬机室内。

（5）卷扬机室内还应考虑设计采暖通风设施。

3.3.3  卷扬机卷筒受力分析

在设计料车卷扬机基础之前，需要对卷扬机的卷筒进行受力分析。料车卷扬机卷筒上分两股钢丝绳，分别对应斜桥上的两个料车，且1#料车装料上行时，2#料车空车下行。因此在受力分析时，钢丝绳的拉力T1和T2可分别选取料车装料上行和空车下行两种情况的最大值进行计算，图8为卷扬机卷筒受力分析图。图中T为T1和T2的合力，通过分解得到卷筒受到的水平力Tx和垂直力Ty。本工程绳轮的受力分析结果见表6。

4结语

（1）本文以国鑫2#高炉改造为例，从上料系统能力的校核、料坑、斜桥及卷扬机的改造设计等各方面介绍了斜桥上料系统的设计特点，详述了提高料车斜桥上料的改造内容和措施。

（2）通过AutocAD作图法对料车斜桥上料过程进行了静力学分析，计算得出了斜桥、绳轮及卷扬机卷筒在料车不同位置、不同工况下的受力，为结构专业进行计算提供了设计依据。

（3）料车斜桥上料与皮带上料相比，布置紧凑，设备种类多，计算量大。设计时应特别注意料车运行轨迹与周边设备及环境的关系，避免干涉。

5  参考文献

[1] 《炼铁设计参考资料》编写组. 炼铁设计参考资料[M]，北京: 冶金工业出版社，1975，290-308

[2] 黄剑雄,马刚,彭犇. 1000m3高炉料车斜桥的静力分析[J]. 冶金设备，2011年特刊（1）：27-29

[3] 潘铁毅,范小刚,戚波.1200m3高炉料车上料系统工艺设计[J]. 冶金信息导刊，2013：51-53

[4] 强发文,李立柱,杨庆桂,王强. 高炉料车增容改造[J]. 冶金丛刊，2014：26-29

[5] 周厚超. 提高高炉上料设备能力的探讨及改造措施[J]. 冶金设备管理与维修，2009：33-34