【文章內容簡介】 此傾動機構整體尺寸依然龐大，設備投資巨大。為了提高設備投資的經濟效益，對傾動機構進行優(yōu)化設計有很大的必要。 本文對于轉爐傾動機構的優(yōu)化設計工作和方法主要在以下幾個方面： 1）選擇合理的傾動方案，通過對存在的幾種傾動方案的比較，選出最佳的傾動方案作為設計對象確定，規(guī)定設計主要的研究方向，為選擇參考資料作準備。 2）利用 Solidworks2021 建立三維模型，對傾動機構的各參數進行分析，減少大量計算和繁瑣編程過程，減少設計勞動量，縮短設計周期。 3）選定合理的正力矩設計原則，正確 地計算和分析轉爐的傾動力矩曲線；通過對轉爐操作工況以及傾動力矩曲線各區(qū)域力矩值的分析，確定傳動機構的合理設計載荷及工作壽命。 4）合理選擇電機類型，考慮其過載能力與電流值在合適的范圍內，以減小變頻器的選型容量，節(jié)省變頻器的投資。 5）根據設計載荷對減速機傳動比進行合理分配，目標是減小齒輪的體積，同時使各級齒輪傳動比的安全系數接近以減小個別傳動級的富余強度。 6）改進并且簡化設備的結構，在實現功能的前提下減少設備的零件種類。 7）對重要零部件進行校核和可靠性分析，選擇合理的尺寸和大小，減小設備重量。 具體設計流程如圖 圖 轉爐傾動傳動系統 2 轉爐傾動機構總體方案的確定 傾動機構的配置形式的比較與選擇 轉爐傾動機構應避免使高大的轉爐跨間柱距加大，增加土建困難，所以總體配置要緊湊，同時傳動裝置的配置不得高于操作平臺，使轉爐具有良好的操作環(huán)境。經過對傾動機構的不斷改進，出現了一些不同的配置形式，可歸納為落地式、半懸掛式、全懸掛式三種類型。 1 落地式 最早采用的一種布置形式的轉爐傾動機構是落地式。應用于小容量轉爐上，它的傾動機構除末級大齒輪裝在托圈耳軸上與 安裝在地面上的傳動裝置中的小齒輪嚙合外，其余都安裝在地基上。 圖 落地式存在的主要問題是當托圈撓曲出現嚴重變形時，會引起如圖 所示中耳軸軸線發(fā)生較大偏斜，進而會影響末級齒輪副的正常嚙合，造成齒輪輪齒上的載荷集中，經常會因此導致齒輪磨損嚴重和小齒輪輪齒斷裂或傳動裝置上的其它事故。對小轉爐來說，只要托圈剛性較好，落地式的布置結構簡單，還是可取之處的。但是對于大、中型轉爐來說存在著缺點，由于它的低速級聯軸器的尺寸和重量都很大的，所以占地面積較大。即使轉爐增加基建投資，加大跨間建筑 面積，而且設備重量較大。 2 半懸掛式 半懸掛式的產生是以落地式的配置為基礎逐步發(fā)展起來的。它的特點就是通過齒式聯軸器或萬向聯軸器把減速器小齒輪與主減速器聯接起來，然后通過減速器箱體把末級齒輪懸掛在轉爐耳軸上，其它傳動機構仍然在地基上安裝。如圖 所示 圖 半懸掛式轉爐傾動機構 由于半懸掛式裝置的末級大、小齒輪均通過減速機懸掛在耳軸上，所以當耳軸軸線發(fā)生偏斜時，它們之間仍然可以保持正常的嚙合。因此半懸掛裝置的占地面積和重量要相對少一些。但是半懸掛裝置中懸掛減速器和主減速器之間一般還是需要通過齒式聯 軸器或萬向聯軸器來連接，所以它的占地面積還是比較大的。 半懸掛式結構也存在一些新的問題，既懸掛減速器必須配套安裝抗扭轉裝 置。懸掛減速器被懸掛在耳軸上，當傾動機構運轉時，外力矩的作用會使它產生一種圍繞耳軸回轉的力矩。所以，為了避免懸掛減速器由于回力矩的作用發(fā)生圍繞耳軸回轉的現象，必須在它上面安裝一個抗扭裝置。此外，半懸掛式傾動機構中沒有末組體積龐大的聯軸器，所以其在占地面積以及重量上面都要相對減小了一些。但是，選懸掛式裝置的占地面積也是比較可觀的，因為它仍然需要通過萬向按軸或者齒式聯軸器在懸掛減速器以及主減速 器之間進行聯接。 3 全懸掛式 全懸掛式傾動機構是指包括電動機、制動器、一級減速器在內所有的傾動機構全都固定在二級減速機箱體上，然后懸掛在驅動耳軸的外端上，只有扭力桿平衡止動裝置放置在地基上。到目前為止，一般的大型全懸掛式轉爐傾動機構基本上都采用的都是多點嚙合柔性傳動機構，這種傳動機構與傳統系統相比不僅減小了重量和尺寸，還保證了運行期間的可靠性，我們所謂的多點嚙合柔性支撐傳動其實就是在末級傳動系統中，許多各自帶有傳動機構的小齒輪共同驅動同一個末級大齒輪，然而整個二級減速器的兩端是由兩根立桿通過曲柄與水平扭力桿 連接支撐在基礎上。 全懸掛式多點嚙合柔性傳動傾動機構有其他配置沒有的諸多優(yōu)點，包括結構緊湊、占地面積小、重量輕、工作性能好，運轉安全可靠等。由于多點嚙合的傳動裝置一般至少采用兩套以上，所以即使其中有一到兩套發(fā)生故障的時候，仍然能保證整個系統正常的運行，具有較高的安全系數。整個傳動裝置都是懸掛在耳軸之上，即使當托圈發(fā)生扭曲或者邊形的時候，齒輪不會受到影響，仍然能夠正常嚙合。由于采用了柔性抗扭的緩沖裝置，所以大幅度減少了動載荷，使得轉爐運轉起來更加安全平穩(wěn)。 與半懸掛式相比較而言，全懸掛式具有結構緊湊、占地面積 小等優(yōu)點，此外即使托圈發(fā)生變形扭曲，也不會影響到其他傳動部件的正常嚙合。同時，不需要安裝低速級的大型聯軸器或萬向聯軸器，這大大減少了懸掛式轉爐傾動機構之間的傳動縫隙。而且，它采用的柔性抗扭緩沖裝置，使得力矩在傳動過程中逐漸增加或減少，大幅度減少了動載荷和沖擊力。但是，全懸掛式同時也存在著一些問題，例如對抗扭緩沖裝置的性能有比較高要求，同時還要把懸掛減速器箱體的剛度問題考慮在內，必須加強箱體的剛度才能有效避免由于剛性不 夠而影響到整個系統的正常運轉。此外，全懸掛機構中轉爐耳軸軸承的負荷增大了不少，因此對耳軸強度 要求也相對變得比較高。最后，全懸掛式中的嚙合點有所增加，因此它的結構變得更加復雜，這對機構的工程要求比較嚴格。 本文對傾動裝置的設計采用了全懸掛式的配置 圖 傾動機構的驅動的電機的選擇 目前國內以電機作為大型爐的驅動裝置主要有兩種形式，一種為直流電動機調速，另一種為交流電動機調速。交流電動機可以實現快速、慢速兩種傾動速度要求，但是由于大型爐需要經常啟制動，平均每分鐘四次甚至更多，在出這使得傾動機械的電氣系統和機械系統都會產生嚴重的沖擊尖峰載荷，而且經常造成接觸器觸點和制 動器電磁線圈燒毀，增加了電器事故，影響了正常的生產安全和人員安全，不適合在大型爐使用。而直流電動機可以實現多級或無級變速，通過一般的齒輪減速機就能充分滿足不同傾動速度的要求，而且直流電動機具有相當的過載能力，有利于保證轉爐操作要求。 我國轉爐一般使用交流 電動機 JZR 型（ JZRB 型）及直流電動機 ZZ 或 ZZJ型 作為驅動動力。 傾動機構減速器的設計方案 轉爐傾動機構減速機主要是由四個展開式多級圓柱斜齒輪減速機組成，在主減速機的對角線位置分布，這種減速機由于使用了斜齒輪，能有效降低噪聲，而且嚙合平穩(wěn)，沖擊較小。 然而會對軸產生較大的軸向力，故可以使用圓錐滾子軸承加以穩(wěn)定平衡。 圖 聯軸器、齒輪、軸、軸承、制動器的選擇 聯軸器要選擇帶制動輪的聯軸器，根據計算公式到機械設計手冊中查找所需要的聯軸器。齒輪設計要根據有關公式進行設計并要進行校核，軸承、軸也是按照機械設計手冊中的要求進行設計并進行并對其校核，軸承校核壽命，軸 校核強度。在選擇制動器時，既要考慮到制動器要有足夠的制動力矩、保證轉爐安全和準確定位、不致因制動器失靈造成工藝操作事故；又要考慮到制動時間不應太短，否則會 造成傾動機械承受過大的動負荷引起扭振疲勞。為了確保安全，轉爐的每個傳動系統中至少有兩個以上的制動器。具體方法不在這里詳述，本文會在以后章節(jié)中進行詳細計算。 3 轉爐傾動力矩的計算 傾動力矩的組成部分 傾動力矩是轉爐傾動機構設計的重要數據，是確定轉爐最佳的耳軸位置重要參數依據，同時也是合理操作轉爐并提高其可靠性與壽命的依據之一。 轉爐傾動力矩 ［ 1］ 構成部分由三塊組成： myk MMMM ??? () 式中 kM — 空爐力矩（由爐殼和爐襯重量引起的靜阻力矩），空爐的重心與耳軸中心的距離是不變的，在傾動過程中，空爐力矩 kM 與傾動角度 ? 存在正弦函數關系； yM — 爐液力矩（爐內液體鐵水和爐渣引起的靜力矩），在傾動過程中，爐液的重心位置是變化，出鋼時其重量也發(fā)生變化的，均隨傾動角度 ? 的變化而變化，故 yM 傾動角度 ? 存在函數關系； mM — 轉爐耳軸上的摩擦力矩，在出鋼過程中其值也有變化，但其值較小，為了計算簡便，在傾動過程中可視為常量。 轉爐對耳軸的轉動慣量由空爐和爐液對耳軸轉動慣量兩個部分組成： ky JJJ ?? () 式中 kJ — 空爐對耳軸的轉動慣量，是常量，不隨傾動角度改變； yJ — 爐液對耳軸的轉動慣量，因為爐液重量和重心均隨著傾動角度變化而變化，其轉動慣量值也隨傾動角度而改變。 轉爐傾動力矩和轉動慣量的計算步驟： （ 1）預選一個參考的耳軸的位置； （ 2）新爐爐型的空爐重量、重心和空爐 力矩的計算； （ 3）新爐爐型在不同傾動角度下（每隔 ?5 ）的爐液重量、重心和爐液力矩的計算； （ 4）新爐爐型摩擦力矩的計算及新爐在不同傾動角度下的合成傾動力矩計算； （ 5）確定最佳耳軸的位置； （ 6）按最佳耳軸位置，重新計算新爐空爐力矩、新爐爐型在隨傾動角度變化的爐液重量、重心和爐液力矩、新爐合成傾動力矩。并畫出隨傾動角度變化的傾動力矩曲線。 空爐力矩 kM ，爐液力矩 yM ，轉爐耳軸上的摩 擦力矩 mM 的具體計算公式和分析方法如下： )s in ( kkkk rGM ?? ???? () 式中 kG — 空爐重量（噸）； kr — 空爐重心 K 至耳軸中心 L 的距離（ m）； ?— 傾動角度（。） k? — kr 與 z 軸線的夾角，KKk zH x?? ?1tan? ； H— 預先給定耳軸中心 L 的 z 坐標值（ m）； Kx 、 Kz — 空爐合成重心的 x、 z 的坐標值。 ? ??? c oss i n)( yyyy xzHGM ??? () 式中 yG — 爐液重量（噸）； H— 預先給定耳軸中心 L 的 z 坐標值（ m）； yx 、 yz — 爐液重心的 x、 z 的坐標值； ?— 傾動角度（。）。 2)( dGGGGMykm ?????? 懸托 () 式中 kG — 空爐重量（噸）； yG — 爐液重量（噸）； 托G — 托圈及附件重量； 懸G — 懸掛減速機的重量； ? — 摩擦系數；對滑動軸承取 ~?? ；對滾動軸承取~?? ； d— 滑動軸承取耳軸直徑（ m）；滾動軸承取軸承的平均直徑2 外內 ddd ?? 。 確 定轉爐爐型 國內外氧氣頂吹轉爐的爐型大概有以下圖 三種類型： A 型：爐帽是截錐形、爐底為球缺形、爐身為圓筒形； B 型：爐帽是截錐形、爐底為球缺形或倒截錐形、爐身為圓筒形； C 型：爐帽是傾角比較大的截錐形、爐底為球缺形、爐身是上面大下面小的倒截錐形。 圖 因為在整體結構與實際應用上 180 噸轉爐更適合 B 型。因此本文的設計采用 B 型轉爐爐型 本設計采用的 180 噸轉爐爐型圖 如圖 圖 180噸轉爐爐型圖 確定轉爐重心 本文運用 Solidworks2021 軟件畫出轉爐爐體的三維圖像，并通過選定密度合適的材料作為爐襯以及爐殼的材料進而確定空爐重心的位置。在本設計中轉爐爐殼采用 16MnCr5 合金鋼板材料，密度為 7800kg/m179。該材料目前為國內最為廣泛的轉爐材料，物理 性能優(yōu)越，價格較低，具有較高的性價比。而爐襯本文采用平均密度為 2240kg/m179。的耐火材料作為原材料。 確定空爐重心具體操作過程如下： （ 1）根據確定的 180 噸轉爐爐型圖，運用 Solidworks2021 軟件畫出轉爐爐體的三維圖像。分別畫出爐殼以及爐襯的三圍立體圖形。然后分別選定爐殼以及爐襯的材料。如圖 和圖 圖 爐殼以及所選材料 圖 爐襯以及所選材料 （ 2） 將選定好材料的爐殼和爐襯進行裝配。裝配完成后，點擊〔評估〕→〔質量特性〕就可得到轉爐空爐時的重量 、體積、重心等等參數?？蔀橄乱徊接嬎阕鳒蕚?。如圖 圖 空爐質