【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 此傾動(dòng)機(jī)構(gòu)整體尺寸依然龐大，設(shè)備投資巨大。為了提高設(shè)備投資的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)傾動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有很大的必要。 本文對(duì)于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作和方法主要在以下幾個(gè)方面： 1）選擇合理的傾動(dòng)方案，通過(guò)對(duì)存在的幾種傾動(dòng)方案的比較，選出最佳的傾動(dòng)方案作為設(shè)計(jì)對(duì)象確定，規(guī)定設(shè)計(jì)主要的研究方向，為選擇參考資料作準(zhǔn)備。 2）利用 Solidworks2021 建立三維模型，對(duì)傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的各參數(shù)進(jìn)行分析，減少大量計(jì)算和繁瑣編程過(guò)程，減少設(shè)計(jì)勞動(dòng)量，縮短設(shè)計(jì)周期。 3）選定合理的正力矩設(shè)計(jì)原則，正確 地計(jì)算和分析轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)力矩曲線(xiàn)；通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐操作工況以及傾動(dòng)力矩曲線(xiàn)各區(qū)域力矩值的分析，確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)載荷及工作壽命。 4）合理選擇電機(jī)類(lèi)型，考慮其過(guò)載能力與電流值在合適的范圍內(nèi)，以減小變頻器的選型容量，節(jié)省變頻器的投資。 5）根據(jù)設(shè)計(jì)載荷對(duì)減速機(jī)傳動(dòng)比進(jìn)行合理分配，目標(biāo)是減小齒輪的體積，同時(shí)使各級(jí)齒輪傳動(dòng)比的安全系數(shù)接近以減小個(gè)別傳動(dòng)級(jí)的富余強(qiáng)度。 6）改進(jìn)并且簡(jiǎn)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)功能的前提下減少設(shè)備的零件種類(lèi)。 7）對(duì)重要零部件進(jìn)行校核和可靠性分析，選擇合理的尺寸和大小，減小設(shè)備重量。 具體設(shè)計(jì)流程如圖 圖 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng) 2 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)總體方案的確定 傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的配置形式的比較與選擇 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)避免使高大的轉(zhuǎn)爐跨間柱距加大，增加土建困難，所以總體配置要緊湊，同時(shí)傳動(dòng)裝置的配置不得高于操作平臺(tái)，使轉(zhuǎn)爐具有良好的操作環(huán)境。經(jīng)過(guò)對(duì)傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)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(lèi)型。 1 落地式 最早采用的一種布置形式的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)是落地式。應(yīng)用于小容量轉(zhuǎn)爐上，它的傾動(dòng)機(jī)構(gòu)除末級(jí)大齒輪裝在托圈耳軸上與 安裝在地面上的傳動(dòng)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(wèn)題是當(dāng)托圈撓曲出現(xiàn)嚴(yán)重變形時(shí)，會(huì)引起如圖 所示中耳軸軸線(xiàn)發(fā)生較大偏斜，進(jìn)而會(huì)影響末級(jí)齒輪副的正常嚙合，造成齒輪輪齒上的載荷集中，經(jīng)常會(huì)因此導(dǎo)致齒輪磨損嚴(yán)重和小齒輪輪齒斷裂或傳動(dòng)裝置上的其它事故。對(duì)小轉(zhuǎn)爐來(lái)說(shuō)，只要托圈剛性較好，落地式的布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還是可取之處的。但是對(duì)于大、中型轉(zhuǎn)爐來(lái)說(shuō)存在著缺點(diǎn)，由于它的低速級(jí)聯(lián)軸器的尺寸和重量都很大的，所以占地面積較大。即使轉(zhuǎn)爐增加基建投資，加大跨間建筑 面積，而且設(shè)備重量較大。 2 半懸掛式 半懸掛式的產(chǎn)生是以落地式的配置為基礎(chǔ)逐步發(fā)展起來(lái)的。它的特點(diǎn)就是通過(guò)齒式聯(lián)軸器或萬(wàn)向聯(lián)軸器把減速器小齒輪與主減速器聯(lián)接起來(lái)，然后通過(guò)減速器箱體把末級(jí)齒輪懸掛在轉(zhuǎn)爐耳軸上，其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仍然在地基上安裝。如圖 所示 圖 半懸掛式轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu) 由于半懸掛式裝置的末級(jí)大、小齒輪均通過(guò)減速機(jī)懸掛在耳軸上，所以當(dāng)耳軸軸線(xiàn)發(fā)生偏斜時(shí)，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(duì)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(guò)齒式聯(lián) 軸器或萬(wàn)向聯(lián)軸器來(lái)連接，所以它的占地面積還是比較大的。 半懸掛式結(jié)構(gòu)也存在一些新的問(wèn)題，既懸掛減速器必須配套安裝抗扭轉(zhuǎn)裝 置。懸掛減速器被懸掛在耳軸上，當(dāng)傾動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，外力矩的作用會(huì)使它產(chǎn)生一種圍繞耳軸回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的現(xiàn)象，必須在它上面安裝一個(gè)抗扭裝置。此外，半懸掛式傾動(dòng)機(jī)構(gòu)中沒(méi)有末組體積龐大的聯(lián)軸器，所以其在占地面積以及重量上面都要相對(duì)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?yàn)樗匀恍枰ㄟ^(guò)萬(wàn)向按軸或者齒式聯(lián)軸器在懸掛減速器以及主減速 器之間進(jìn)行聯(lián)接。 3 全懸掛式 全懸掛式傾動(dòng)機(jī)構(gòu)是指包括電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、一級(jí)減速器在內(nèi)所有的傾動(dòng)機(jī)構(gòu)全都固定在二級(jí)減速機(jī)箱體上，然后懸掛在驅(qū)動(dòng)耳軸的外端上，只有扭力桿平衡止動(dòng)裝置放置在地基上。到目前為止，一般的大型全懸掛式轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)基本上都采用的都是多點(diǎn)嚙合柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比不僅減小了重量和尺寸，還保證了運(yùn)行期間的可靠性，我們所謂的多點(diǎn)嚙合柔性支撐傳動(dòng)其實(shí)就是在末級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)中，許多各自帶有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的小齒輪共同驅(qū)動(dòng)同一個(gè)末級(jí)大齒輪，然而整個(gè)二級(jí)減速器的兩端是由兩根立桿通過(guò)曲柄與水平扭力桿 連接支撐在基礎(chǔ)上。 全懸掛式多點(diǎn)嚙合柔性傳動(dòng)傾動(dòng)機(jī)構(gòu)有其他配置沒(méi)有的諸多優(yōu)點(diǎn)，包括結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、重量輕、工作性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠等。由于多點(diǎn)嚙合的傳動(dòng)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(shí)候，仍然能保證整個(gè)系統(tǒng)正常的運(yùn)行，具有較高的安全系數(shù)。整個(gè)傳動(dòng)裝置都是懸掛在耳軸之上，即使當(dāng)托圈發(fā)生扭曲或者邊形的時(shí)候，齒輪不會(huì)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(dòng)載荷，使得轉(zhuǎn)爐運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)更加安全平穩(wěn)。 與半懸掛式相比較而言，全懸掛式具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積 小等優(yōu)點(diǎn)，此外即使托圈發(fā)生變形扭曲，也不會(huì)影響到其他傳動(dòng)部件的正常嚙合。同時(shí)，不需要安裝低速級(jí)的大型聯(lián)軸器或萬(wàn)向聯(lián)軸器，這大大減少了懸掛式轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的傳動(dòng)縫隙。而且，它采用的柔性抗扭緩沖裝置，使得力矩在傳動(dòng)過(guò)程中逐漸增加或減少，大幅度減少了動(dòng)載荷和沖擊力。但是，全懸掛式同時(shí)也存在著一些問(wèn)題，例如對(duì)抗扭緩沖裝置的性能有比較高要求，同時(shí)還要把懸掛減速器箱體的剛度問(wèn)題考慮在內(nèi)，必須加強(qiáng)箱體的剛度才能有效避免由于剛性不 夠而影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，全懸掛機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)爐耳軸軸承的負(fù)荷增大了不少，因此對(duì)耳軸強(qiáng)度 要求也相對(duì)變得比較高。最后，全懸掛式中的嚙合點(diǎn)有所增加，因此它的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，這對(duì)機(jī)構(gòu)的工程要求比較嚴(yán)格。 本文對(duì)傾動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)采用了全懸掛式的配置 圖 傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的選擇 目前國(guó)內(nèi)以電機(jī)作為大型爐的驅(qū)動(dòng)裝置主要有兩種形式，一種為直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，另一種為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。交流電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)快速、慢速兩種傾動(dòng)速度要求，但是由于大型爐需要經(jīng)常啟制動(dòng)，平均每分鐘四次甚至更多，在出這使得傾動(dòng)機(jī)械的電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊尖峰載荷，而且經(jīng)常造成接觸器觸點(diǎn)和制 動(dòng)器電磁線(xiàn)圈燒毀，增加了電器事故，影響了正常的生產(chǎn)安全和人員安全，不適合在大型爐使用。而直流電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)或無(wú)級(jí)變速，通過(guò)一般的齒輪減速機(jī)就能充分滿(mǎn)足不同傾動(dòng)速度的要求，而且直流電動(dòng)機(jī)具有相當(dāng)?shù)倪^(guò)載能力，有利于保證轉(zhuǎn)爐操作要求。 我國(guó)轉(zhuǎn)爐一般使用交流 電動(dòng)機(jī) JZR 型（ JZRB 型）及直流電動(dòng)機(jī) ZZ 或 ZZJ型 作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。 傾動(dòng)機(jī)構(gòu)減速器的設(shè)計(jì)方案 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)減速機(jī)主要是由四個(gè)展開(kāi)式多級(jí)圓柱斜齒輪減速機(jī)組成，在主減速機(jī)的對(duì)角線(xiàn)位置分布，這種減速機(jī)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(huì)對(duì)軸產(chǎn)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(lián)軸器、齒輪、軸、軸承、制動(dòng)器的選擇 聯(lián)軸器要選擇帶制動(dòng)輪的聯(lián)軸器，根據(jù)計(jì)算公式到機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查找所需要的聯(lián)軸器。齒輪設(shè)計(jì)要根據(jù)有關(guān)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)并要進(jìn)行校核，軸承、軸也是按照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行并對(duì)其校核，軸承校核壽命，軸 校核強(qiáng)度。在選擇制動(dòng)器時(shí)，既要考慮到制動(dòng)器要有足夠的制動(dòng)力矩、保證轉(zhuǎn)爐安全和準(zhǔn)確定位、不致因制動(dòng)器失靈造成工藝操作事故；又要考慮到制動(dòng)時(shí)間不應(yīng)太短，否則會(huì) 造成傾動(dòng)機(jī)械承受過(guò)大的動(dòng)負(fù)荷引起扭振疲勞。為了確保安全，轉(zhuǎn)爐的每個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中至少有兩個(gè)以上的制動(dòng)器。具體方法不在這里詳述，本文會(huì)在以后章節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。 3 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的計(jì)算 傾動(dòng)力矩的組成部分 傾動(dòng)力矩是轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)，是確定轉(zhuǎn)爐最佳的耳軸位置重要參數(shù)依據(jù)，同時(shí)也是合理操作轉(zhuǎn)爐并提高其可靠性與壽命的依據(jù)之一。 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩 ［ 1］ 構(gòu)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(dòng)過(guò)程中，空爐力矩 kM 與傾動(dòng)角度 ? 存在正弦函數(shù)關(guān)系； yM — 爐液力矩（爐內(nèi)液體鐵水和爐渣引起的靜力矩），在傾動(dòng)過(guò)程中，爐液的重心位置是變化，出鋼時(shí)其重量也發(fā)生變化的，均隨傾動(dòng)角度 ? 的變化而變化，故 yM 傾動(dòng)角度 ? 存在函數(shù)關(guān)系； mM — 轉(zhuǎn)爐耳軸上的摩擦力矩，在出鋼過(guò)程中其值也有變化，但其值較小，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，在傾動(dòng)過(guò)程中可視為常量。 轉(zhuǎn)爐對(duì)耳軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由空爐和爐液對(duì)耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)蓚€(gè)部分組成： ky JJJ ?? () 式中 kJ — 空爐對(duì)耳軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，是常量，不隨傾動(dòng)角度改變； yJ — 爐液對(duì)耳軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因?yàn)闋t液重量和重心均隨著傾動(dòng)角度變化而變化，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值也隨傾動(dòng)角度而改變。 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算步驟： （ 1）預(yù)選一個(gè)參考的耳軸的位置； （ 2）新?tīng)t爐型的空爐重量、重心和空爐 力矩的計(jì)算； （ 3）新?tīng)t爐型在不同傾動(dòng)角度下（每隔 ?5 ）的爐液重量、重心和爐液力矩的計(jì)算； （ 4）新?tīng)t爐型摩擦力矩的計(jì)算及新?tīng)t在不同傾動(dòng)角度下的合成傾動(dòng)力矩計(jì)算； （ 5）確定最佳耳軸的位置； （ 6）按最佳耳軸位置，重新計(jì)算新?tīng)t空爐力矩、新?tīng)t爐型在隨傾動(dòng)角度變化的爐液重量、重心和爐液力矩、新?tīng)t合成傾動(dòng)力矩。并畫(huà)出隨傾動(dòng)角度變化的傾動(dòng)力矩曲線(xiàn)。 空爐力矩 kM ，爐液力矩 yM ，轉(zhuǎn)爐耳軸上的摩 擦力矩 mM 的具體計(jì)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(dòng)角度（。） k? — kr 與 z 軸線(xiàn)的夾角，KKk zH x?? ?1tan? ； H— 預(yù)先給定耳軸中心 L 的 z 坐標(biāo)值（ m）； Kx 、 Kz — 空爐合成重心的 x、 z 的坐標(biāo)值。 ? ??? c oss i n)( yyyy xzHGM ??? () 式中 yG — 爐液重量（噸）； H— 預(yù)先給定耳軸中心 L 的 z 坐標(biāo)值（ m）； yx 、 yz — 爐液重心的 x、 z 的坐標(biāo)值； ?— 傾動(dòng)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(jī)的重量； ? — 摩擦系數(shù)；對(duì)滑動(dòng)軸承取 ~?? ；對(duì)滾動(dòng)軸承取~?? ； d— 滑動(dòng)軸承取耳軸直徑（ m）；滾動(dòng)軸承取軸承的平均直徑2 外內(nèi) ddd ?? 。 確 定轉(zhuǎn)爐爐型 國(guó)內(nèi)外氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的爐型大概有以下圖 三種類(lèi)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?yàn)樵谡w結(jié)構(gòu)與實(shí)際應(yīng)用上 180 噸轉(zhuǎn)爐更適合 B 型。因此本文的設(shè)計(jì)采用 B 型轉(zhuǎn)爐爐型 本設(shè)計(jì)采用的 180 噸轉(zhuǎn)爐爐型圖 如圖 圖 180噸轉(zhuǎn)爐爐型圖 確定轉(zhuǎn)爐重心 本文運(yùn)用 Solidworks2021 軟件畫(huà)出轉(zhuǎn)爐爐體的三維圖像，并通過(guò)選定密度合適的材料作為爐襯以及爐殼的材料進(jìn)而確定空爐重心的位置。在本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)爐爐殼采用 16MnCr5 合金鋼板材料，密度為 7800kg/m179。該材料目前為國(guó)內(nèi)最為廣泛的轉(zhuǎn)爐材料，物理 性能優(yōu)越，價(jià)格較低，具有較高的性?xún)r(jià)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(guò)程如下： （ 1）根據(jù)確定的 180 噸轉(zhuǎn)爐爐型圖，運(yùn)用 Solidworks2021 軟件畫(huà)出轉(zhuǎn)爐爐體的三維圖像。分別畫(huà)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(jìn)行裝配。裝配完成后，點(diǎn)擊〔評(píng)估〕→〔質(zhì)量特性〕就可得到轉(zhuǎn)爐空爐時(shí)的重量 、體積、重心等等參數(shù)?？蔀橄乱徊接?jì)算作準(zhǔn)備。如圖 圖 空爐質(zhì)