【正文】 PW布料器溜槽的旋轉(zhuǎn)及其傾動系統(tǒng)非常復(fù)雜，并且不便維修。布料器的冷卻、潤滑、密封，這是任何一種布料器都不可回避的問題，采用氮氣冷卻雖然簡化了布料器的冷卻系統(tǒng)，但是氮氣消耗量大，并不是一種經(jīng)濟的冷卻方式，故有些公司開發(fā)的布料器采用水冷方式[11]，也有學(xué)者對水冷的效果進行了分析。對布料的研究主要表現(xiàn)對無鐘爐頂布料器布料的數(shù)學(xué)模型、影響因素及料面的預(yù)測模型的研究。這些研究結(jié)果都對無鐘爐頂布料器的布料有積極的指導(dǎo)意義。隨著計算機技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的計算機技術(shù)和有限元理論的有機結(jié)合，對無料鐘爐頂?shù)母郀t無料鐘爐頂布料器整體力學(xué)性能研究等復(fù)雜的技術(shù)研究已經(jīng)有了一定的進步，從而提高了布料器設(shè)計的可靠性，縮短從設(shè)計到生產(chǎn)的開發(fā)周期，節(jié)省設(shè)計開發(fā)成本[16]。針對上述布料器的缺陷，本文對無鐘爐頂布料器做了如下研究： (1)提出新的無鐘爐頂布料器的設(shè)計方案，包括溜槽的懸掛，旋轉(zhuǎn)，傾動傳動系統(tǒng)的設(shè)計，使得布料器的結(jié)構(gòu)進一步得到簡化，并對重要的傳動部件進行受力和強度分析。設(shè)計布料器的冷卻系統(tǒng)，采用循環(huán)水冷方式對布料器進行冷卻。(4) 分析了爐料的運動，建立了爐料在溜槽上和在空區(qū)中的運動方程，并推導(dǎo)出爐料在料面上的落點半徑。51第2章 無鐘爐頂布料器設(shè)計第2章 無鐘爐頂布料器設(shè)計 布料器的傳動方案無鐘爐頂布料器的傳動方案如圖21所示，溜槽的旋轉(zhuǎn)和傾動分別采用兩套相互獨立的傳動系統(tǒng)。采用這種傳動方案，使布料器的結(jié)構(gòu)得到很大的簡化，也方便了溜槽轉(zhuǎn)速和傾動速度的調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)圓筒的懸掛及其驅(qū)動方案見圖22所示。由于與小齒輪裝配的軸懸臂布置，在徑向作用力的作用下，會發(fā)生撓曲變形，因此其剛度較差。為改善這一狀況，采用了雙列調(diào)心球軸承。雙列軸承使用軸承套固定，可以改善軸的受力狀況，有力改善載荷分布不均的現(xiàn)象。圖22 旋轉(zhuǎn)圓筒的懸掛及其驅(qū)動方案 溜槽傾動傳動前文所述的各種布料器溜槽傾動傳動都存在某些缺陷，本文設(shè)計中采用曲柄滑塊機構(gòu)和回轉(zhuǎn)支承作為布料器的傳動部件，如圖23所示。托圈只能沿布料器中心線上下移動，其旋轉(zhuǎn)由托圈上的導(dǎo)輪和布料器箱體上的導(dǎo)軌限制。連桿與曲柄b通過銷軸連接，從而把驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為托圈的直線運動。曲柄a與耳軸間用鍵連接，并隨旋轉(zhuǎn)圓筒一起旋轉(zhuǎn)，故曲柄a與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈沒有繞布料器中心線的相對旋轉(zhuǎn)。則回轉(zhuǎn)支承的上下運動迫使曲柄a繞耳軸軸線旋轉(zhuǎn)，從而帶動耳軸旋轉(zhuǎn)。圖23 溜槽傾動驅(qū)動方案圖24 回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈與曲柄a的連接 傾動軸的驅(qū)動為了方便檢修，圖23中的傾動軸的驅(qū)動系統(tǒng)要求布置在布料器箱體外，并且它們的轉(zhuǎn)速非常小，轉(zhuǎn)角也不大。小減速器的輸出軸與傾動軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接，大、小減速器和傳動軸間也用聯(lián)軸器聯(lián)接。但是由于兩根傾動軸要求同步旋轉(zhuǎn)，減速器內(nèi)的齒輪不可能沒有間隙，在裝配過程中，不能完全消除間隙，應(yīng)盡可能調(diào)整這些間隙，使它們的變化方向趨于一致。1電機、2小減速器輸出軸、3小減速器、4大減速器、5聯(lián)軸器、6傳動軸圖25 傾動軸電機——雙減速器驅(qū)動系統(tǒng) 基本參數(shù)及設(shè)計性能為研究大爐容布料器，本文以容積為450 m3高爐進行設(shè)計和模擬。布料器置于爐喉之上，故布料器的徑向尺寸受其影響，關(guān)于爐喉直徑的計算可以參考文獻(xiàn)[17]，爐喉直徑與爐缸直徑，爐腰直徑，風(fēng)口高度，高爐容積密切相關(guān)，經(jīng)過計算爐喉直徑 m,布料器安裝法蘭的外徑至少要比爐喉直徑小1 m左右， m。 t——一次布料時間，s取料罐的有效容積為V=12m3，重力加速度g=，一次布料時間t=50s，為防止卡料取l=。中心喉管的內(nèi)徑一般取600~800mm，為了避免卡料，在330m3高爐上的無鐘爐頂布料器中心喉管的內(nèi)徑取500mm,仿此文中的無鐘爐頂布料器中心喉管內(nèi)徑取D=520mm。至于溜槽的長度，也需按照爐喉直徑確定，因為一定的爐喉直徑有一適宜的溜槽長度，文獻(xiàn)[20]給出了極限條件下的溜槽長度，故此處溜槽總長L=2295 mm。表21 布料器設(shè)計參數(shù)中心喉管內(nèi)徑520 mm溜槽轉(zhuǎn)速8~ r/min中心喉管高度1265 mm溜槽傾角0176。溜槽長度2295 mm布料圈數(shù)8~10 圈溜槽內(nèi)徑560 mm布料器徑向尺寸不大于3900 mm溜槽溜槽及其懸掛結(jié)構(gòu)如圖26所示。襯板上堆焊68 mm厚的耐熱耐磨合金材料。圖26 溜槽及其懸掛以上是設(shè)計無鐘爐頂布料器的基本參數(shù)。C，異常700176。/s。選擇四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件。由于篇幅所限，文中只對一些重要傳動件進行設(shè)計計算。耳軸總長見如圖27a所示1溜槽、2耳軸、3曲柄a 耳軸受力分析 (1)耳軸受力分析 耳軸上的作用力有溜槽和爐料的重力，滑動軸承的支反力，溜槽和曲柄a施加的一對平衡扭矩。在理想狀況下，由圖26可以認(rèn)為每個耳軸承受溜槽與爐料重力和的一半。溜槽質(zhì)量可按式(23)計算： (23)t式中 ρ1——溜槽材料密度，t/m3 D2——溜槽外徑，m爐料總質(zhì)量可按式(24)計算：t (24)式中 ρ2——爐料密度，不同的爐料有不同的密度，其中型鐵礦的密度最大， t/m3則溜槽和爐料的重力GG2分別為： kN (25) kN (26)溜槽傾動到極限位置45176。溜槽與爐料的重心到耳軸軸線的距離是L1= m。取d=100mm，則摩擦力f為： kN (211)(2)軸承的支反力 滑動軸承的寬度較大，將支反力的作用點取在滑動軸承的中點。(3)確定危險截面 耳軸在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)都受彎矩作用，B、C截面內(nèi)的彎矩如下： kNm (216) kNm (217) kNm (218)耳軸的扭矩圖如圖27c，在水平面內(nèi)彎矩如圖27d，在垂直面內(nèi)彎矩如圖27e。C截面內(nèi)的合成彎矩為： kNm (219)(4)耳軸強度計算 由于耳軸懸掛溜槽在高爐內(nèi)部工作，故耳軸應(yīng)該具備耐高溫的能力，耳軸材料選37SiMn2MoV[21]，并進行調(diào)質(zhì)處理。表22 耳軸材料機械性能抗拉強度σb屈服點σs彎曲疲勞極限σ1扭轉(zhuǎn)疲勞極限τ1許用靜應(yīng)力[σ+1]許用疲勞應(yīng)力[σ1]880700425245352236~283由文獻(xiàn)[22]得耳軸的軸徑d按彎扭合成計算式為： (220)式中 M——軸截面合成彎矩，Nmm a——根據(jù)轉(zhuǎn)應(yīng)力變化性質(zhì)確定的校正系數(shù)，取最大值a=1 T——軸截面轉(zhuǎn)矩，Nmm β——耳軸內(nèi)外徑比值，取D=150mm，d=360mm，計算得：。 齒輪及減速電機(1)驅(qū)動力矩的計算 溜槽和爐料的重力對旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的偏心力矩可按下式計算： (221)式中 R1——溜槽和爐料重力作用點至旋轉(zhuǎn)中心的距離，m偏心力矩對推力向心軸承產(chǎn)生的附加載荷為： (222)式中 d2——推力向心軸承的平均半徑，m附加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩按下式計算 (223)式中 m——滾動摩擦系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[31]。軸向載荷產(chǎn)生的摩擦力矩為： (225)上述計算的是齒輪傳遞的靜力矩，但是由于布料器啟動頻繁，同樣要頻繁的改變轉(zhuǎn)向，從而在設(shè)計齒輪和選擇減速電機時必須考慮慣性力矩，它主要由以下兩部分組成。其二，溜槽和爐料的慣性力矩為： (227)綜上所述，旋轉(zhuǎn)圓筒的總驅(qū)動力矩為： (228) kNm。據(jù)上述條件可以按文獻(xiàn)[23]中關(guān)于“漸開線圓柱齒輪傳動的設(shè)計計算”確定齒輪的主要參數(shù)，確定嚙合齒輪的主要參數(shù)，進行嚙合齒輪強度的校核。表23 齒輪參數(shù)名稱齒轉(zhuǎn)盤軸承外齒圈小齒輪材料42CrMo40CrNiMo熱處理調(diào)質(zhì)滲氮調(diào)質(zhì)表面淬火齒面硬度48~54 HRC56~62 HRC模數(shù)m10 mm齒數(shù)z17442齒寬b100 mm110 mm(3)減速電機的選擇 選擇SP系列斜齒輪減速電機時，必須明確減速電機的輸出轉(zhuǎn)速或傳動比i1及電機功率P、減速電機的使用系數(shù)fB。電機輸出轉(zhuǎn)矩為： kNm (229)式中 h1——傳動效率則電機功率為： kW (230)使用系數(shù)fB綜合表達(dá)了工作母機的應(yīng)用及工作狀況。布料器旋轉(zhuǎn)電機所承受的載荷均勻，每小時改變轉(zhuǎn)向的次數(shù)在60次左右，據(jù)此根據(jù)文獻(xiàn)[24]可得fBL=。標(biāo)準(zhǔn)減速器的型號是：SPFA97Y4132MOSH5，傳動比為。~40176。溜槽和曲柄a的兩個極限位置如圖29(a)，其中曲柄的中心距L2不宜太短，根據(jù)杠桿原理，太短的話，必使回轉(zhuǎn)支承的驅(qū)動力太大；中心距也不宜太長，否則使得圖23中的滑動槽太長，最終就使得回轉(zhuǎn)支承的直徑太大。 mm。為使得曲柄b的轉(zhuǎn)角最小，曲柄b的兩個極限位置對稱處于水平面的上下。 (a) (b) 圖29 曲柄滑塊機構(gòu)的極限位置 傾動軸驅(qū)動系統(tǒng)(1)選擇電機型號 作用在曲柄滑塊機構(gòu)上的作用力主要有三類，其一，曲柄a對回轉(zhuǎn)支承的反作用力，溜槽傾角最大時，此力最大；其二，各傳動部件的重力，如無齒式四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，托圈，滾輪，連桿自重；其三，摩擦力，回轉(zhuǎn)支承導(dǎo)向槽與旋轉(zhuǎn)圓筒導(dǎo)向鍵之間的滑動摩擦，滾輪與導(dǎo)軌間的滾動摩擦。另外由上文可知FT就是溜槽傾動的總驅(qū)動力，為了安全起見和簡化計算，方向垂直向下。則單個傾動軸受到的扭矩為：kNm (231)螺旋布料時，溜槽傾動速度連續(xù)增大或連續(xù)減小，要求電機有較好的調(diào)速特性，故選擇交流伺服電機，轉(zhuǎn)速1500 r/min。/s，換言之溜槽以最大速度達(dá)到最大傾角需要5秒左右的時間。的角度， r/min。(2)大減速器 SK系列斜齒輪減速器具有體積小、垂直輸出，節(jié)省空間、效率高，輸出扭矩大，啟動平穩(wěn)、齒輪使用壽命長，能方便正反轉(zhuǎn)等特點，無疑是無鐘爐頂布料器溜槽傾動的理想傳動裝置。該系列減速機的選型要滿足工作母機的實際使用系數(shù)fBL應(yīng)小使用系數(shù)fB的選擇原則。每小時改變轉(zhuǎn)向(啟停)的次數(shù)在60次左右；中等載荷并伴有一定沖擊，由文獻(xiàn)[35]可知：fBL=。(3)小減速器 TB型減速器是采用模塊化設(shè)計而成的垂直軸減速器，結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便；功率、傳動比、轉(zhuǎn)矩范圍大；配置形式多樣。選用過程如下：傳動比要求，小減速器分擔(dān)的傳動比iq2為： (234)功率要求，小減速器的額定功率PN應(yīng)滿足： kW (235)式中 f1——工作機系數(shù) f2——原動機系數(shù) f3——減速器安全系數(shù) f4——啟動系數(shù)由于減速機的功率比電機的功率大很多，并且減速器的轉(zhuǎn)速很小，故不校核最大轉(zhuǎn)矩和熱平衡功率。 布料器的冷卻、潤滑和密封