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1 前言

斗式提升機(jī)是熔煉區(qū)域關(guān)鍵設(shè)備之一，其用途為把貧化電爐內(nèi)排出的爐渣運(yùn)送到渣倉中。斗式提升機(jī)有兩臺(tái)，一開一備，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，就會(huì)影響閃速爐的作業(yè)率，這就要求設(shè)備必須運(yùn)行可靠，故障率低。金隆公司的斗式提升機(jī)由南昌設(shè)計(jì)院參照貴溪冶煉廠日本產(chǎn)的斗式提升機(jī)原圖設(shè)計(jì)，銅陵有色機(jī)械總廠制作。由于南昌設(shè)計(jì)院對(duì)原設(shè)計(jì)吸收不完善，對(duì)其關(guān)鍵部件沒有明確標(biāo)注加工工藝，導(dǎo)致斗式提升機(jī)故障頻繁，其使用壽命還不到2個(gè)月。金隆公司自1997年4月份投料生產(chǎn)運(yùn)行以來，僅5、6、7、8月份因斗式提升機(jī)故障引起閃速爐停料時(shí)間就達(dá)140多個(gè)小時(shí)。嚴(yán)重地影響了閃速爐作業(yè)率，情況統(tǒng)計(jì)見表1。斗式提升機(jī)每次故障，均要化費(fèi)大量人力物力來維修，且現(xiàn)場工作環(huán)境差，交叉作業(yè)時(shí)還存在安全隱患。為了改善這種狀況，我們對(duì)斗式提升機(jī)的鏈條的尺寸、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式及熱處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)， 終于使其使用壽命超過了國內(nèi)同類產(chǎn)品。

2 性能參數(shù)及功率核算

運(yùn)輸能力: 85t /h

電機(jī): 22kW× 380V× 970r /min

減速機(jī)速比: I= 87

小齒輪齒數(shù): Z1= 21

大齒輪齒數(shù): Z2= 64

傾斜角度: 61°

鏈斗節(jié)距: P= 500mm

鏈斗容積: V= 0. 097m3

鏈斗數(shù)量: 81個(gè)

頭、尾輪中心距: L= 18750mm

頭輪節(jié)圓直徑: 950mm

渣比重: V= 1. 5t /m3

水淬水: 循環(huán)水

功率計(jì)算

鏈條速度:

S = 970× 1 /87× 21 /64× 0. 95× 3. 14

= 10. 9m /min

運(yùn)輸量:

Q= 60×V× S×V/P

= 60× 0. 097× 10. 9× 1. 5 /0. 5

= 190t /h

鏈斗、鏈條重量:

M = 60× 1 /0. 5+ 37× 2

= 1940N /m

取M= 2000N /m

輸送物重量:

W = 0. 097× 1500× 1 /0. 5

= 2910N /m

重側(cè)斗運(yùn)行總阻力T1的計(jì)算

重側(cè)斗及物料總重:

G1= L (M+ W )

= 18. 75( 2000+ 2910)

= 92060N

1) 當(dāng)滾輪不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，按滑動(dòng)摩擦計(jì)算重側(cè)斜

坡段阻力

F1= G1co sTf+ G1sinT

= 92060( 0. 1× cos61°+ sin61°)

= 84980N

式中　f —— 滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取f = 0. 1。

2) 當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，按滾動(dòng)摩擦計(jì)算重側(cè)斜坡段阻力

F2= G1_ co sT/R+ G1 sinT

= 92060( 0. 5× cos61°/50+ sin61°)

= 80940N

式中　—— 滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取 = 0. 5mm;

R— — 滾輪半徑， R= 50mm。

考慮到運(yùn)行中滾輪有轉(zhuǎn)有不轉(zhuǎn)的，應(yīng)按兩種情況綜合考慮，再考慮滾輪輪轂與滾輪軸頸間的摩擦阻力矩(根椐經(jīng)驗(yàn)可取綜合阻力的5% )。

重側(cè)斜坡段阻力T1

T1= 1. 05( F1+ F2 ) /2+ q

= 1. 05( 84980+ 80940) /2+ 5000

= 92110N

式中　q—— 鏈斗在尾輪處翻轉(zhuǎn)時(shí)的阻力，取經(jīng)驗(yàn)

值q= 5000N。

輕側(cè)斗運(yùn)行總阻力T2的計(jì)算斗總重:

G2= L M= 18. 75× 2000= 37500N

1) 按滑動(dòng)摩擦計(jì)算輕側(cè)斜坡段阻力F3

F3= G2 sinT- G2 f co sT

= 37500× ( sin61°- 0. 1× co s61°)

= 30980N

2) 按滾動(dòng)摩擦計(jì)算輕側(cè)斜段阻力F4

F4= G2 sinT- G2_ co sT/R

= 37500× ( sin 61°- 0. 5× co s61°/50)

= 32620N

綜合考慮后

T2= 1. 05( 30980+ 32620) /2= 33390N

頭部星輪與鏈節(jié)及軸承摩擦阻力F5

F5= 0. 05( T1+ T2 )

= 0. 05× ( 92110+ 33390)

= 6280N

星輪回轉(zhuǎn)阻力P 的計(jì)算

P = T1 - T2+ F5

= 92110- 33390+ 6280

= 65000N

電機(jī)功率計(jì)算

N = K PV /1020Z( kW)

式中　K— — 電機(jī)功率貯備系數(shù)， 對(duì)于運(yùn)行速度

較低的斜坡提升設(shè)備，考慮到正常

負(fù)載起動(dòng)時(shí)動(dòng)負(fù)荷，取K= 1. 3。

Z—— 傳動(dòng)總效率， 取0. 9。

則

N = KP V /1020Z

= 1. 3× 65000× 10. 9 / ( 1020× 60× 0. 9)

= 16. 7kW

電機(jī)選用22kW。

3 鏈條的改進(jìn)

選用的電機(jī)功率已足夠。從斗式提升機(jī)所發(fā)生的故障來看，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1) 初期，主要是銷軸斷裂頻繁，在其運(yùn)行一個(gè)月后，每天都出現(xiàn)斷銷現(xiàn)象。

2) 中期，伴隨鏈條斷，鏈斗變形拉翻。

3) 后期，銷軸、鏈條、銷套均出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

我們分析其故障原因， 對(duì)銷軸強(qiáng)度進(jìn)行核算，并在現(xiàn)場進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)， 在多次實(shí)踐的基礎(chǔ)上對(duì)鏈條作出如下的改進(jìn)措施:

3. 1 尺寸上的改變

1) 銷軸的直徑增大，由 22mm 加大到26mm。

2) 銷套加厚，內(nèi)、外徑由 22mm× 28mm加大到 26mm× 34mm。

3) 鏈板加寬，由64mm加大到74mm。

鏈條經(jīng)過改進(jìn)后， 其強(qiáng)度大大加強(qiáng)了，安全系數(shù)提高了，保證了鏈條在正常運(yùn)行時(shí)具有足夠的強(qiáng)度要求。

改進(jìn)前和改進(jìn)后對(duì)不同材質(zhì)的安全系數(shù)計(jì)算對(duì)比如下:

銷軸剪切應(yīng)力:

f= T /A= T1 /2A= 92110× 4 /2×c× d2

式中　T—— 每條鏈條拉力;

A—— 剪切面面積。

安全率參考值: F= 5～ 7，當(dāng)銷軸直徑加大到26mm后，上述四種材質(zhì)均能滿夠要求。

計(jì)算鏈板的安全系數(shù)

鏈條張力為92110 /2= 46060N /條

e= 46060 / [10× ( 74- 31)× 2 ]= 53. 6MPa

S= 551. 0 /53. 6= 10. 3> 7　　良好

如果鏈板被磨薄，鏈板的強(qiáng)度就會(huì)削弱， 安全系數(shù)降低。

擠壓強(qiáng)度校核

銷軸與套筒間

P = T / (d× L )

= 46060 /( 2. 6× 8. 2)

= 2160kPa < 2300k Pa 　　良好

當(dāng)鏈條的尺寸變大以后，鏈條的強(qiáng)度能滿足要求。

3. 2 鏈條材質(zhì)變更

斗式提升機(jī)使用的環(huán)境惡劣，鏈條從水中到空氣中，又從空氣中返回到水中，這樣反復(fù)循環(huán)。使用的水為循環(huán)水，水溫為70°C～ 80℃ ， PH值在5. 6～ 9. 2范圍內(nèi)變動(dòng)，存在一定的腐蝕性， 當(dāng)鏈條進(jìn)入空氣中時(shí)，又被大量水蒸汽所包圍， 其溫度為200℃左右，這又加大了腐蝕性。因而選用鏈條材質(zhì)既要考慮其耐磨性，又要考慮其耐腐蝕性。從材料的機(jī)械性能來考慮， 選用3Cr 13最合適，但熱處理工藝較復(fù)雜，很難掌握。如應(yīng)力未消除，脆性較大， 銷軸易斷。在次改進(jìn)時(shí)， 我們考慮其耐磨性為主要問題點(diǎn)， 銷軸的材質(zhì)選用強(qiáng)度很好的20CrMnMo ，銷軸的安全系數(shù)加大，鏈條的壽命相應(yīng)增加。銷套、滾子、鏈板仍使用強(qiáng)度較好的不銹鋼材質(zhì)3Cr 13。經(jīng)過改進(jìn)后的鏈條投入使用后， 運(yùn)行3個(gè)月，改進(jìn)取得了初步成功。隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，新的問題又出現(xiàn)了，鏈板與銷軸配合存在較大的間隙，銷子在此處腐蝕與磨損交替進(jìn)行，使其間隙在進(jìn)一步增大， 鏈條的節(jié)距也在增加，因張緊未能及時(shí)調(diào)整， 此鏈條運(yùn)行不到4個(gè)月時(shí)，因鏈條過松，鏈斗被拉翻而停機(jī)。我們對(duì)此鏈條的薄弱點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié): 銷軸磨損為1. 5mm，銷套磨損達(dá)2mm， 鏈板孔徑磨損達(dá)3mm，板厚磨損達(dá)3mm～ 5mm。因鏈條的腐蝕磨損，導(dǎo)致以下問題:

1) 銷軸與鏈板接觸處間隙過大，鏈條節(jié)距加大，運(yùn)行狀況漸差，且鏈板強(qiáng)度削弱。

2) 鏈板磨損嚴(yán)重，鏈板強(qiáng)度進(jìn)一步削弱，且軸向間隙增大，內(nèi)鏈板易從銷套上脫離， 造成鏈條的運(yùn)行狀況很差，鏈條易被拉壞。

針對(duì)上述問題點(diǎn)，我們對(duì)鏈條做了第二次改進(jìn):

1) 鏈條銷軸的材質(zhì)改為3Cr13，改進(jìn)其熱處理工藝。

2) 改進(jìn)鏈條的結(jié)構(gòu)形式，在鏈板上增加耐磨片，消除鏈板的磨損。

3. 3 熱處理工藝上的改進(jìn)

原先圖紙上鏈條加工無熱處理要求，這嚴(yán)重地影響了其使用壽命。我們根據(jù)材質(zhì)的性能，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際使用狀況提出了熱處理的要求。3Cr13為馬氏體型不銹鋼，熱處理采用淬火加中溫回火。淬火溫度的選擇，既要考慮到鋼的耐腐蝕性能，也要照顧到鋼的綜合機(jī)械性能。淬火溫度范圍控制在1000°C～ 1020℃ ，油淬。低于1000℃淬火，碳化物熔解不充分，耐蝕性較低，尤其是容易產(chǎn)生晶界腐蝕，強(qiáng)度、沖擊韌性也不高，其中網(wǎng)狀碳化物對(duì)沖擊韌性影響更大。但是高于1020℃淬火，則奧氏體晶粒會(huì)迅速長大， 殘余奧氏體量增加，也導(dǎo)致機(jī)械性能降低。另一方面，淬火溫度過高，回火時(shí)碳化物析出強(qiáng)烈，也降低了不銹鋼使用時(shí)的耐腐蝕性能。

3Cr13淬火后大量的鉻、碳保留在基體組織馬氏體內(nèi)，不僅硬度高，耐腐蝕性能也很好。但是淬火馬氏體是一種內(nèi)應(yīng)力很高的不穩(wěn)定的組織，必須及時(shí)進(jìn)行回火。否則，會(huì)引起開裂。因要求其耐腐蝕，還要求有較高硬度和韌性，所以采用480°C～ 500℃的中溫回火， 水淬?；鼗鸷螳@得回火屈氏體組織，淬火應(yīng)力得以消除，鋼的耐腐蝕性、硬度、強(qiáng)度都很好。回火采用水淬， 以抑制回火脆性。

鏈條的磨損件分別為銷軸、銷套、滾子，綜合考慮其磨損量， 各部件表面硬度分別控制為:HRC42— 45、HRC36— 38、HRC40— 43。通過熱處理工藝的改進(jìn)，銷軸使用狀況良好，經(jīng)6個(gè)月運(yùn)行后，我們對(duì)銷軸進(jìn)行了檢測: 共斷銷軸8根，從斷口看均為脆斷。其硬度達(dá)到HRC55以上，內(nèi)應(yīng)力未消除。據(jù)廠家解釋，是因8根銷軸位于爐口邊所致。銷軸的磨損量不超過去1mm。因而只要控制好爐溫，銷軸的材質(zhì)選用3Cr 13能勝任其耐磨性和耐腐蝕性要求。

3. 4 結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)

滾子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 滾子與鏈板相磨， 且鏈條在頭輪處翻轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)、外鏈板又相磨，經(jīng)過3個(gè)多月的磨損，鏈板的磨損量達(dá)4mm以上，并且越來越嚴(yán)重。鏈板磨損后，鏈條軸向間隙增大，滾子運(yùn)行出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象，這又加大了鏈條的磨損。又由于軸向間隙增大，內(nèi)鏈板易從銷套上脫落， 造成兩邊鏈板錯(cuò)位，受力不均，磨損加大，其壽命將大大的縮短。針對(duì)這類問題，我們對(duì)鏈板結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)， 見圖1， a)為改進(jìn)前鏈條結(jié)構(gòu)， b )為改進(jìn)后鏈條結(jié)構(gòu)。在鏈板的磨損處增加3mm的耐磨片，其材質(zhì)為3Cr13，淬火硬度達(dá)HRC40， 點(diǎn)焊在鏈板上。

圖1 鏈條結(jié)構(gòu)形式

1—— 滾子; 2— — 銷套; 3— — 銷軸; 4—— 內(nèi)鏈板; 5— — 外鏈板; 6— — 耐磨片

第二次改進(jìn)的鏈條自1998年5月份投入使用以后，除8根銷軸因熱處理不過關(guān)出現(xiàn)脆斷外，未出現(xiàn)任何故障，已安全地使用了7個(gè)多月了，超過了原計(jì)劃6個(gè)月的使用壽命。

4 改進(jìn)效果

1) 改進(jìn)前， 斗式提升機(jī)運(yùn)行時(shí)間不足兩個(gè)月，每年大約需要7條鏈，且要化費(fèi)大量的人力物力來更換鏈條和清渣工作。改進(jìn)后，運(yùn)行時(shí)間已超過7個(gè)月，一年僅需2～ 3根鏈條，每年節(jié)約備件費(fèi)約120萬元以上。

2) 改進(jìn)前，斗式提升機(jī)故障頻繁，僅1997上半年影響FF作業(yè)率達(dá)144h，損失約144× 5萬元= 720萬元。改進(jìn)后，僅在停渣后， 更換8根銷軸， 未影響FF投料量。

3) 原計(jì)劃用50萬元進(jìn)口一條鏈條，因改進(jìn)效果較好已取消。

4) 據(jù)我們了解，國內(nèi)生產(chǎn)的同類斗式提升機(jī)的有效使用壽命一般不超過4個(gè)月， 而經(jīng)我們改進(jìn)的鏈條壽命已超過7個(gè)月，此項(xiàng)改進(jìn)已取得重大的成功。

5 存在的問題及改進(jìn)方向

為了進(jìn)一步提高鏈條的使用壽命，在鏈條運(yùn)行6個(gè)月后，即1998年11月月修時(shí)，我們拆卸狀況較差的三節(jié)鏈條進(jìn)行檢測分析， 其情況如下: 銷軸磨損1mm，銷套磨損3mm～ 4mm，鏈板厚磨損不到1mm，極少數(shù)耐磨片脫落，孔眼增大3mm，滾子內(nèi)、外徑磨損不到2mm。從這條鏈條使用狀況看，主要問題在以下兩個(gè)方面:

1) 銷套的磨損過大。

2) 鏈板孔眼磨損過大。針對(duì)這種問題， 我們對(duì)鏈條進(jìn)行第三輪改進(jìn)。1) 銷套外徑尺寸由 34mm 增大到40mm，以增加其消耗量。

2) 重新制定磨損件的表面硬度，把滾子的硬度變?yōu)?，使其為消耗件?因它的消耗不影響整機(jī)的運(yùn)行效果。

3) 鏈板的孔眼面要求平整，與銷軸的配合為過盈配合，過盈量在100μm～ 150μm。

4) 鏈板孔表面進(jìn)行淬火，其硬度為HB300以上，以增加其耐磨性。

5) 沖渣水為循環(huán)水，水溫居高不下，且PH值為8. 5左右，加大了化學(xué)腐蝕，如把閃速爐冷卻水回水溢流部分引入到二次渣池中，不僅可降低水溫，而且可保證PH值接近中性，腐蝕性將大大好轉(zhuǎn)，此時(shí)，銷軸的材質(zhì)可使用20CrMnMo ，鏈板的材質(zhì)使用65Mn，以降低備件成本。經(jīng)過這次改進(jìn)，鏈條的使用壽命有望達(dá)到一年。

6 結(jié)語

斗式提升機(jī)的正常運(yùn)行是保證閃速爐連續(xù)作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一。斗式提升機(jī)原來故障率高，維護(hù)量大， 并影響閃速爐投料達(dá)140多個(gè)小時(shí)，是典型的危機(jī)設(shè)備。我們根據(jù)現(xiàn)場的使用情況，經(jīng)過多次試驗(yàn)和改進(jìn)，使鏈條的使用壽命大大地超過了國內(nèi)同類產(chǎn)品，鏈條的運(yùn)行達(dá)7個(gè)月， 并對(duì)鏈條的薄弱點(diǎn)進(jìn)行分析且做出進(jìn)一步改進(jìn)，其使用壽命能進(jìn)一步得到提高。