源文件-200噸轉爐傾動機構的設計【帶CAD圖紙】

源文件-200噸轉爐傾動機構的設計【帶CAD圖紙】,帶CAD圖紙,源文件,轉爐,傾動,機構,設計,cad,圖紙 第 頁 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 200噸轉爐傾動機構設計 摘 要 傾動機構是實現(xiàn)轉爐煉鋼生產(chǎn)最主要的設備之一，它的特點是傾動力矩大、減速比大、啟制動頻繁和能夠承受較大的動載荷。轉爐傾動機構工作在多渣塵和高溫的惡劣工作環(huán)境中，因而其可靠性和壽命對于整個轉爐設備的安全運轉有著非常重要的影響。為獲得適應于驅動的低轉速，需要很大的減速比。轉爐爐體自重很大，再加裝料重量等，整個被傾轉部分的重量要達上百噸或上千噸。轉爐傾動機械的工作屬于“啟動工作制”。機構除承受基本靜載荷作用外，還要承受由于啟動、制動等引起的動載荷。這種動載荷在爐口刮渣操作時，其數(shù)值甚至達到靜載荷的兩倍以上。啟、制動額繁，承受較大的動裁荷。轉爐傾動機械隨著氧氣轉爐煉鋼生產(chǎn)的普及和發(fā)展也在不斷的發(fā)展和完善，出現(xiàn)了各種型式的傾動裝置。其中，帶有扭力桿緩沖止動裝置的全懸掛式傾動機械，由于其獨有的多點嚙合柔性傳動的優(yōu)勢，逐漸成為主流。本文對轉爐傾動機構的基本形式做了簡單介紹。重點介紹用3D法計算轉爐傾動力矩的整體過程。完成了最佳耳軸位置的選擇計算，繪制了傾翻力矩曲線，完成對轉爐傾動的電機選擇與校核，并對整個傾動系統(tǒng)的主要零部件進行了計算和校核。本論文對轉爐傾動機構的設計提供了一種新思路。 關鍵詞：傾動機構；傾動力矩；傳動系統(tǒng)；柔性支撐 第 IV 頁 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） ABSTRACT Tilting mechanism is to achieve one of the main steelmaking production equipment, which is characterized by a large dump Moment, gear ratio, starting and braking frequently and withstanding greater dynamic load. Converter tilting mechanism works in harsh working environments, more slag dust and high temperatures. Thus their reliability and longevity for the safe operation of the equipment throughout the converter has a very significant impact. Adaptation to obtain a low rotational speed of the drive requires a large reduction ratio. Great weight converter furnace, plus loading weight, etc., the entire weight of the part to be tilting up hundreds of tons or thousands of tons. BOF furnace steel smelting a time, usually only four minutes later. Converter tilting mechanical work belongs to "start working system." In addition to the basic institutions to withstand static loads, but also to withstand dynamic loads due to start, braking caused. This dynamic load in the mouth skimming operation, more than twice its value even to static loads. Kai, the amount of braking complex, dynamic cut withstand greater load. As the steelmaking process low, heavy and harsh working conditions, coupled with the start, brake frequently, especially on a different way to start the motor on the dynamic behavior of the converter. With the converter tilting BOF steelmaking machinery popularization and development also continues to develop and improve, there have been various types of tilting the device. With torsion bar stopper buffer full hanging tilting mechanical, diagonally arranged into four main transmission system of a reducer drive one at the center of the second gear, so as to drive the rotary converter work performed. This paper converter tilting mechanism gives a brief introduction. Introduction tilting mechanism structure, design principles, the basic design parameters, as well as several forms of structure and configuration of the drive tilting mechanism and the transmission format. Keywords: converter; tilting mechanism; pour Moment; transmission system； Resilient mounting 目 錄 1緒論 1 1.1轉爐研究的背景及意義 1 1.2轉爐煉鋼工藝流程 2 1.3轉爐傾動機構的設計原則 3 1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 3 1.4.1國外轉爐傾動裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 3 1.4.2 國內(nèi)轉爐傾動裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 4 1.5 轉爐傾動機構主要研究內(nèi)容及方法 5 2轉爐傾動機構總體方案的確定 6 2.1傾動機構的配置形式的比較與選擇 6 2.2傾動機構的驅動的電機的選擇 10 2.3傾動機構減速器的設計方案 11 2.4聯(lián)軸器、齒輪、軸、軸承、制動器的選擇 11 3轉爐傾動力矩的計算 12 3.1傾動力矩的組成部分 12 3.2確定轉爐爐型 14 3.3確定轉爐重心 19 3.4確定預設耳軸位置 23 3.5計算爐液力矩與空爐力矩 23 3.6確定耳軸摩擦力矩 26 3.7運用Excel繪制傾動力矩表格 27 3.8確定最佳耳軸位置 28 3.9確定修正后的轉爐傾動力矩 29 3.10繪制傾動力矩曲線圖 31 4電動機、制動器及聯(lián)軸器的設計與校核 31 4.1 電機容量計算與確定電機型號 31 4.1.1確定電機型號 31 4.1.2電動機工作制度值及發(fā)熱值的校核 32 4.1.3電動機的過載校核 33 4.1.4確定啟動時間 34 4.2 聯(lián)軸器的計算與選擇 35 4.3制動器的計算與選擇 36 4.3.1制動器的選擇計算 36 4.3.2制動時間校核 38 5齒輪傳動系統(tǒng)的設計計算 38 5.1分配傳動比 38 5.2運動以及動力參數(shù)計算 39 5.3齒輪傳動設計 41 5.4其它齒輪設計計算 48 5.5齒輪的校核 49 6軸及軸承的設計計算 50 6.1軸材料的確定 50 6.2軸的設計計算 50 6.3軸的校核 55 6.4軸承的校核 59 7扭力桿系統(tǒng)的設計 61 7.1 扭力桿緩沖止動裝置 61 7.2 扭力桿設計計算 62 7.2.1扭力桿直徑和曲柄半徑的確定 62 7.2.2 安全座空隙的選擇 62 8 設備的可靠性和經(jīng)濟評價 63 8.1 設備的可靠性 63 8.1.1設備平均壽命 63 8.1.2 可靠度的計算 64 8.1.3 機械設備的有效度 64 8.2 設備的經(jīng)濟評價 66 8.2.1 投資回收期 66 8.2.2 盈虧平衡分析 67 結 論 69 致 謝 70 參考文獻 71 第 73 頁 遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 1緒論 1.1轉爐研究的背景及意義 鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的重點發(fā)展行業(yè)，是發(fā)展國民經(jīng)濟和國防建設的物質基礎，它的發(fā)展水平是一個國家重要綜合國力的表現(xiàn)。1837年德國人貝斯賣［2］提出底吹酸性轉爐冶煉方法是近代煉鋼工藝的開始，借此生產(chǎn)了大量廉價鋼，對歐洲第二次工業(yè)革命發(fā)起起了間接推動作用，但是此種煉鋼工藝并不能快速有效的去除磷和硫，所以它的發(fā)展受到了很大限制。隨著1882年底吹式堿性轉爐煉鋼法的發(fā)明，可用堿性爐襯轉爐來解決高磷生鐵問題，然而這種方法對生鐵的成分有比較嚴格要求。1847年法國出現(xiàn)了蓄熱方式的平爐煉鋼法。1869年又出現(xiàn)了堿性平爐冶煉的方法，這種方法對冶煉配料的限制不是很苛刻，而且有冶煉產(chǎn)品種樣多、冶煉容量大等優(yōu)點，因而出現(xiàn)僅僅30年便成為鋼鐵行業(yè)最主要的冶煉鋼方式。到上世紀中葉平爐冶煉出來的鋼總量大概占世界鋼產(chǎn)量85%。20世紀50年代奧地利率先使用純氧頂吹式轉爐煉鋼法，其最大的不同點就是有效解決了鋼中氮氣等有害成份問題，而且降低了廢氣產(chǎn)生量（　采用普通空氣吹煉時，空氣中含有約79%沒用的氮氣?。苊饬藷崮艿拇蠓秶鷵p失。而且它的重量與平爐很接近，這樣可以冶煉出相對低溫狀態(tài)的平爐生鐵，從而能利用更加多的廢鋼，且節(jié)省冶煉鋼鐵所需要的燃料。 轉爐傾動裝置是轉爐煉鋼機械設備里面最為關鍵的設備，在轉爐煉鋼的生產(chǎn)過程中，它起到的主要作用是確保轉爐準確定位使得傾動裝置能夠平穩(wěn)傾動，并完成后續(xù)轉爐操作流程包括：兌鐵水、加料、出鋼和修爐等［2］。轉爐傾動裝置傾動作業(yè)特點包含以下幾點： (1) 傾動力矩比較大。因為轉爐爐體質量大，再加上其中鋼鐵爐液、廢料等料的質量，使整體可能達到數(shù)百噸以至數(shù)千噸，所以傾動機構須輸出數(shù)百或者數(shù)千噸牛米的傾動力矩以此保證轉爐機構的正常運轉。 (2) 減速比大。轉爐爐體中高溫的金屬熔液在不斷翻轉，出鋼、兌換鐵水等工藝之中，要求轉爐爐體能夠穩(wěn)定的轉動并能停在正確位置。所以，需要用相對小的傾動速度，為了獲得低的轉速，需要很大的減速。 (3) 承受較大的動載荷，啟、制動頻繁。煉一爐鋼的時間通常大約在40min，在40min左右的煉鋼時間里，轉爐啟、制動的次數(shù)達25次或以上，再加上慢速度下操作的3～5次點動控制加起來總共達三十多次。加上原料之中含磷量過高，轉爐吹冶煉過程更加需要頻繁的提升倒渣的次數(shù)[5]。 1.2轉爐煉鋼工藝流程 以下為轉爐一爐鋼的基本冶煉過程。頂吹轉爐冶煉一爐鋼的操作過程主要由以下六步組成： （1）上爐出鋼、倒渣，檢查爐襯和傾動設備等并進行必要的修補和修理； （2）傾爐，加廢鋼、兌鐵水，搖正爐體（至垂直位置）； （3）降槍開吹，同時加入第一批渣料（起初爐內(nèi)噪聲較大，從爐口冒出赤色煙霧，隨后噴出暗紅的火焰；3～5min后硅錳氧接近結束，碳氧反應逐漸激烈，爐口的火焰變大，亮度隨之提高；同時渣料熔化，噪聲減弱）； （4）3～5min后加入第二批渣料繼續(xù)吹煉（隨吹煉進行鋼中碳逐漸降低，約12min后火焰微弱，停吹）； （5）倒爐，測溫、取樣，并確定補吹時間或出鋼； （6）出鋼，同時（將計算好的合金加入鋼包中）進行脫氧合金化。 圖1.1高爐、轉爐、電弧爐系統(tǒng)煉鋼流程圖 1.3轉爐傾動機構的設計原則 1．轉爐運行工藝操作主要有：兌鐵水、裝料、取樣、測溫、出鋼、出渣以及返回等。過程中我們需要保證爐體能夠進行360°的正序、反序的旋轉，這樣才能夠保證爐體能夠在任意角度的位置上準確而平穩(wěn)的停滯。此外還需要配合煙罩提升和吹氧管機構等操作，避免出現(xiàn)操作失誤。 2．機構必須連貫并且靈活。轉爐在運行過程中一般要具有兩種以上的傾動速度：當轉爐整體轉動幅度較大時，應選擇較快的速度，以保證能夠縮短冶煉的周期；當轉爐出鋼、出渣、測溫取樣時，應選擇較慢速度，這樣能夠避免由于鋼渣的猛烈沖擊而導致的爐液噴濺和溢出等事故的發(fā)生。 3．傾動機構應保證安全并且可取。由于轉爐內(nèi)含有高溫液體金屬，因此傳動系統(tǒng)在整個生產(chǎn)活動中必須具備備用的能力，即如果在生產(chǎn)中某一部分的功能發(fā)生異常出現(xiàn)故障，它仍然能夠繼續(xù)運行到該爐的冶煉工作結束。 4．傾動機構要可以適應載荷以及結構的變化。也就是說當由于托圈出現(xiàn)繞曲變形而導致耳軸軸線的偏斜時，各部位的傳動齒輪副仍能正常工作保持嚙合狀態(tài)。此外，機構還應具有減緩動載荷的性能以及沖擊載荷的能力。 5． 要求占地面積少、結構緊湊、高效率、維修方便等。 1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.4.1國外轉爐傾動裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 氧氣轉爐的發(fā)展早在20世紀50年代開始應用于鋼鐵煉制，并在之后的10年得到了飛速的發(fā)展，成為煉鋼的主要設備之一。在煉鋼生產(chǎn)主要大國德國、美國、日本等，基本都采用以氧氣轉爐為主導的煉鋼法。而在這些發(fā)達國家中轉爐煉鋼產(chǎn)量的總比例平均超過了70%。隨著鋼鐵技術的不斷發(fā)展，對轉爐傾動機構性能的要求也越來越高，多點柔性嚙合傳動機構已經(jīng)發(fā)展成為最新的傳動形式。田日玄一傅［2］將穩(wěn)健設計的基本原理應用于轉爐傾動機構的優(yōu)化設計中，使之成為日本鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展的重要因素。分別通過研究齒輪傳動系統(tǒng)中的設計要求、加工制造誤差、安裝精度等因素對齒輪副的故障診斷、動態(tài)特性、噪聲特性的影響，分析表明輪齒齒廓加工誤差的幅值和相位的變化對齒輪副的振動影響較大，同時也會對齒輪設計的基本參數(shù)的重新優(yōu)化有明顯的影響。Paclot［7］利用固有頻率法分別通過單級、兩級、多級齒輪傳動轉子系統(tǒng)的扭轉振動和橫向振動的耦合對軸承彈性支撐的影響進行了研究，給出了一種研究齒輪傳動系統(tǒng)研究的新型方法。Umezawa［7］等學者通過選取結構形式不同的齒輪軸與長度不等的光軸進行了大量實驗，研究了本身的結構參數(shù)對齒輪傳動系統(tǒng)的振動擺動研究的影響。Kahraman［7］同樣研究了齒輪傳動系統(tǒng)的振動擺動影響因素，并建立了與之相對應的斜齒輪線性、非線性動態(tài)模型，并重點研究了兩種模型下的齒輪軸軸向振動對傳動機構的影響，這些研究為轉爐多點齒輪柔性傳動的設計提供了實踐基礎。 1.4.2 國內(nèi)轉爐傾動裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 國內(nèi)很多學者對轉爐傾動裝置進行了多方面的探討，于文妍［3］等對某煉鋼廠的轉爐托圈如何產(chǎn)生裂紋的原因進行了分析研究，并提出了改造的方案措施，從而消除了由于轉爐托圈裂紋而帶來的潛在事故隱患。楊彥宏［5］等分析了轉爐傾動裝置傳動側耳軸發(fā)生擺動的原因，對耳軸中心呈現(xiàn)橢圓形運動的軌跡行了分析測量，并根據(jù)耳軸實際受力環(huán)境找到其影響因素，提出改進措施。陳宏偉［3］等對轉爐傾動機構運行過程中出現(xiàn)的的點頭現(xiàn)象進行了深沉次的探討，并給出了相應的解決方案，為轉爐傾動機構的平穩(wěn)運行提供了保證。劉海宇［3］等為降低轉爐傾動機構在運行過程中受到的動載沖擊，進行了轉爐傾動機構二次設計及改進，為保證轉爐設備安全運行提供了保障。從不同角度同樣分析了轉爐轉動時傳動側耳軸中心呈圓形軌跡的原因，探討了轉爐托圈傳動側耳軸發(fā)生回轉擺動、減速機偏擺等現(xiàn)象、實地測量扭力桿止動裝置間隙的數(shù)值，通過分析對比尋找規(guī)律，為轉爐傾動裝置的使用、保養(yǎng)提供了實踐參考價值。李文秀［3］等從傾動機構各級齒輪軸的斷裂口的金相組織、材料的化學組成、材料力學等多方面進行分析，并提出改進措施。采用計算機數(shù)值仿真的方法，對全懸掛轉爐傾動機構進行動態(tài)模擬仿真，探討了緩沖零部件的預緊力對耳軸所受扭矩的影響程度。為了降低轉爐設備經(jīng)費，提高設備運行的可行性，在保證設備性能基礎的前提下對轉爐傾動裝置進行了結構上的優(yōu)化設計，解決傳統(tǒng)型轉爐設備龐大、笨重、不宜安裝、調(diào)試、拆裝的問題。 1.5 轉爐傾動機構主要研究內(nèi)容及方法 在生產(chǎn)過程中，由于轉爐起動、制動所產(chǎn)生的沖擊力很大，很大程度上會減少各個零部件使用壽命，并且機構傳動比方案復雜，傳動比很大（可達到600～800），因此傾動機構整體的尺寸依舊存在問題，就是結構龐大，需要投入巨資。為了提高設備投資的經(jīng)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，對存在的幾種傾動方案進行比較，選出最佳的傾動方案作為設計對象，規(guī)定設計的研究方向，為選擇參考資料作準備。 2）選用Solidworks2014建立三維立體模型，對傾動機構的各參數(shù)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(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(shù)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(xiàn)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1.2 圖1.2 轉爐傾動傳動系統(tǒng) 2轉爐傾動機構總體方案的確定 2.1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(jīng)過對傾動機構的不斷改進，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2.1落地式轉爐傾動機構 落地式存在的主要問題是當托圈撓曲出現(xiàn)嚴重變形時，會引起如圖2.1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(jīng)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(lián)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(chǎn)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(lián)軸器或萬向聯(lián)軸器把減速器小齒輪與主減速器聯(lián)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2.2所示 圖2.2 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(lián)軸器或萬向聯(lián)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(chǎn)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(xiàn)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(lián)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(lián)軸器在懸掛減速器以及主減速器之間進行聯(lián)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(nèi)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(tǒng)系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)正常的運行，具有較高的安全系數(shù)。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(lián)軸器或萬向聯(lián)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(nèi)，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(tǒng)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2.3全懸掛式轉爐傾動機構 2.2傾動機構的驅動的電機的選擇 目前國內(nèi)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(diào)速，另一種為交流電動機調(diào)速。交流電動機可以實現(xiàn)快速、慢速兩種傾動速度要求，但是由于大型爐需要經(jīng)常啟制動，平均每分鐘四次甚至更多，這使得傾動機械的電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)都會產(chǎn)生嚴重的沖擊尖峰載荷，而且經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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?shù)倪^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。 2.3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(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2.4全懸掛式轉爐傾動機構減速器 2.4聯(lián)軸器、齒輪、軸、軸承、制動器的選擇 聯(lián)軸器要選擇帶制動輪的聯(lián)軸器，根據(jù)計算公式到機械設計手冊中查找所需要的聯(lián)軸器。齒輪設計要根據(jù)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(tǒng)中至少有兩個以上的制動器。 3轉爐傾動力矩的計算 3.1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(shù)據(jù)，是確定轉爐最佳的耳軸位置重要參數(shù)依據(jù)，同時也是合理操作轉爐并提高其可靠性與壽命的依據(jù)之一。 轉爐傾動力矩［1］構成部分由三塊組成： (3.1) 式中 —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，空爐力矩與傾動角度存在正弦函數(shù)關系； —爐液力矩（爐內(nèi)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，故傾動角度存在函數(shù)關系； —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： (3.2) 式中 —空爐對耳軸的轉動慣量，是常量，不隨傾動角度改變； —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）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，爐液力矩，轉爐耳軸上的摩擦力矩的具體計算公式和分析方法如下： (3.3) 式中 —空爐重量（噸）； —空爐重心K至耳軸中心L的距離（m）； —傾動角度（°） —與z軸線的夾角，； H—預先給定耳軸中心L的z坐標值（m）； 、—空爐合成重心的x、z的坐標值。 (3.4) 式中 —爐液重量（噸）； H—預先給定耳軸中心L的z坐標值（m）； 、—爐液重心的x、z的坐標值； —傾動角度（。）。 (3.5) 式中 —空爐重量（噸）； —爐液重量（噸）； —托圈及附件重量； —懸掛減速機的重量； —摩擦系數(shù)；對滑動軸承取；對滾動軸承?。? d—滑動軸承取耳軸直徑（m）；滾動軸承取軸承的平均直徑。 3.2確定轉爐爐型 國內(nèi)外氧氣頂吹轉爐的爐型大概有以下圖3.2三種類型： 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3.1轉爐爐型 爐型設計步驟 列出原始條件：公稱容量，鐵水條件，廢鋼比，氧槍類型，吹氧時間等 爐子的平均出鋼量為200t，鋼水收得率取92%，最大廢鋼比去20%，采用廢鋼礦石法冷卻 鐵水采用p08低磷生鐵｛｝ 氧槍采用四孔拉瓦爾型噴頭，設計氧壓為1.0Mpa 1． 根據(jù)條件選擇爐型 采用筒球形轉爐，既圖3.2 A型 2． 確定爐容比 取V/T=1.05 3． 計算熔池直徑，熔池深度等尺寸 1．計算熔池直徑 A． 確定初期金屬裝入量G：取B=15%則 ） B.確定吹氧時間：根據(jù)生存赫斯基，一般低磷鐵水約50~57，高磷鐵水約為62~69，本設計采用低磷鐵水取57吹氧時間為14min。 取K=1.57 D=5.960(m) 2．熔池深度計算 公式如下： 確定D=5.96m，h=1.405m 3．熔池其他尺寸計算 球冠弓形高度： 爐底球冠曲率半徑： 4． 計算爐帽尺寸 爐口直徑：取 爐帽直徑： 爐帽高度 取 在爐口處設置水箱式水冷爐口。 爐帽部分容積為 5． 計算爐身尺寸 爐膛直徑 根據(jù)爐溶比為1.05，可求出爐子的總容量 爐身高度 則爐型內(nèi)高 6． 計算出鋼口尺寸 出鋼口直接 出鋼口襯磚外徑 出鋼口長度 出鋼口傾角 7． 確定爐襯厚度 爐身工作層選700mm，永久層115mm，填充層100mm，總厚度為915mm 爐殼內(nèi)徑 爐帽和爐底工作層選600mm，爐帽永久層150mm，爐底永久層用標準鎂磚立砌 一層230mm，黏土磚平砌三層共195mm則爐底總厚度為1025mm 爐殼內(nèi)型高度 工作層材質全采用鎂碳磚。 8． 計算爐殼厚度 爐身全采用75mm厚的鋼板，爐帽和爐底采用65mm厚鋼板 則 爐殼轉角半徑 9． 校核H/D 可見，符合高寬比的推薦值，因此認為所設計的爐子的基本尺寸基本上都是合適的，能保證轉爐的正常冶煉，根據(jù)以上尺寸繪制出爐型圖如下。 10． 繪制爐型圖 圖3.2 200噸轉爐爐型圖 3.3確定轉爐重心 本文運用Solidworks2013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/m3。該材料目前為國內(nèi)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/m3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(jù)確定的200噸轉爐爐型圖，運用Solidworks2013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3.3和圖3.4 （2） 圖3.3 爐殼以及所選材料 圖3.4 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(shù)?？蔀橄乱徊接嬎阕鳒蕚洹Ｈ鐖D3.5 圖3.5 空爐質量屬性 具體數(shù)值如下： 輸出坐標系 : -- 默認 -- 質量 = 518367.371千克 體積 = 187882135895.330 立方毫米 表面積 = 879396411.104 平方毫米 重心 : ( 毫米 ) X = 0.000000 Y = -5479.832 Z = 0.000000 慣性主軸和慣性力矩 : ( 千克 * 平方毫米 )由重心決定。 Ix = (0.000, 1.000, 0.000) Px = 4839522416208.008 Iy = (0.000, 0.000 1.000) Py = 6325218454458.700 Iz = (1.000, 0.000, 0.000) Pz = 6325218454458.700 （3） 慣性張量 : ( 千克 * 平方毫米 )由重心決定，并且對齊輸出的坐標系。 （4） Lxx = 6325218454458.706 Lxy = -0.000 Lxz = 0.000 （5） Lyx = -0.000 Lyy = 4839522416207.996 Lyz = 0.000 （6） Lzx = 0.000 Lzy = 0.000 Lzz = 6325218454458.706 （7） 慣性張量: ( 千克 * 平方毫米 )由輸出座標系決定。 （8） Ixx = 21891042901566.543 Ixy = -0.003 Ixz = 0.000 （9） Iyx = -0.003 Iyy = 4839522416207.996 Iyz = -0.000 （10） Izx = 0.000 Izy = -0.000 Izz = 21891042901566.543 3.4確定預設耳軸位置 預設耳軸位置為空爐重心之上100mm。在距離圖3.2.2爐底4620mm的中心線上。在Solidworks2013軟件中，按照預設耳軸位置來裝配爐殼和爐襯便于計算空爐力矩以及爐液力矩。 3.5計算爐液力矩與空爐力矩 在Solidworks2013軟件中，使用爐液在裝配體中的直接切割方法計算爐液力矩與空爐力矩的總和。算定爐液的平均密度為7200kg/m3。如圖3.6 圖3.6 爐液以及所選密度 這樣計算不需要將爐液力矩以及空爐力矩分別算出，可以簡便的算出爐液力矩以及空爐力矩的總和。為計算傾動力矩的總和提供了簡便。 繪圖過程可分為三個階段：爐液傾倒前、爐液傾倒中和爐液傾倒后。旋轉的角度也可分為三個階段，0°~91.435°、91.435°~115.1815 °、115.1815°~360°。其中91.435°為爐液剛開始傾倒時的角度，115.1815°為爐液全部傾倒時的角度。 操作過程如下： （1） 當傾角為0°~91.435°時，在爐襯的內(nèi)側圓邊界上引一條水平直線和一個平行于爐口的平面。將該平面以該直線為基準旋轉做拉伸切除。點擊（質量屬性）調(diào)整拉抻切除長度以保證爐液質量為200噸?？傻玫睫D爐在不同角度時的爐液與空爐的總力臂L。在此階段重量為空爐和爐液的總重量為698367.371Kg。如圖3.7 10°時爐液狀態(tài) 30°時爐液狀態(tài) 50°時爐液狀態(tài) 60°時爐液狀態(tài) 70°時爐液狀態(tài) 80°時爐液狀態(tài) 90°時爐液狀態(tài) 91.435°時爐液狀態(tài) 圖3.7各角度時爐液狀態(tài) （2）當傾角為91.435°~115.1815°時，按（1）中所做直線與平面旋轉，但只需調(diào)整平面角度。調(diào)整后，在總裝配圖中（質量屬性）中，可查得沒個角度下的爐液與空爐總質量以及總力臂。如圖3.8 100°時爐液狀態(tài) 115.1815°時爐液狀態(tài) 圖3.8 （3） 當傾角為115.1815°~360°時，此時爐液已全部傾倒，該階段為空爐旋轉。 3.6確定耳軸摩擦力矩 根據(jù)3.1中的公式有 耳軸軸承的摩擦系數(shù)=0.02~0.05 本設計中耳軸軸承摩擦系數(shù) 耳軸軸承直徑D=1180mm 采用雙列向心滾子軸承 摩擦直徑 本次設計取耳軸摩擦系數(shù)=0.04； 分瓣式托圈質量=285.78t；耳軸上懸掛的減速箱組的重量=157.93t 已知+=698.367t 由公式 計算可得摩擦力矩=32.435t·m 3.7運用Excel繪制傾動力矩表格 操作過程為點擊（插入）—（表格）選中所需要的表格類型即可完成。 綜合上述經(jīng)計算后可得出預設耳軸位置時的傾動力矩。如表3.1 表3.1 預設耳軸傾動力矩 傾轉角度 （°） 綜合力臂 L（m） 空爐、爐液總質量+（t） 空爐、爐總力矩+(t·m) 10 0.053754 698.367 37.540 20 0.106053 698.367 74.064 30 0.153447 698.367 107.162 40 0.199031 698.367 138.997 50 0.235017 698.367 164.128 60 0.248628 698.367 173.634 70 0.215711 698.367 150.645 80 0.129202 698.367 90.230 90 0.019397 698.367 13.546 91.435 0.047967 698.367 33.499 100 0.041023 567.708 23.289 110 0.072475 523.519 37.942 115.1815 0.090344 518.367 46.831 由表3.6.1可知，當轉爐傾轉91.435°時，轉爐開始傾倒爐液，115.1815°時轉爐爐液全部傾倒。當轉爐傾轉60°時，傾動力矩最大為173.634t·m。當轉爐傾轉90°時，傾動力矩最小為13.546t·m。 3.8確定最佳耳軸位置 最佳耳軸的位置確定，大致可分為兩種方案，一種為“正負力矩等值”，另一種則為“全正力矩”。由于考慮到轉爐的安全性能，目前對于國內(nèi)大多數(shù)轉爐的最佳耳軸位置確定大多采用“全正力矩”原則。因此也本文采用“全正力矩”原則確定耳軸位置。其基本原則是整個傾動過程中不會出現(xiàn)負力矩。合成力矩曲線全在“正力矩”的區(qū)域內(nèi)，耳軸位置高出爐體重心位置較多，當傾動機構的任一環(huán)節(jié)發(fā)生事故時，轉爐在任何傾動角度下都能依靠其自身重力的力矩自動返回零位，故其安全可靠性好。 根據(jù)全正力矩原則，（Mk+My）min-Mm≥0，代入最佳耳軸修正公式 其中：ΔΗ—最佳耳軸修正值 —為代入最小力矩時所對應的傾轉角度=90° （Mk+My）min=13.546t·m 代入公式計算得 最佳耳軸位置 因此最佳耳軸位置在距離爐底4647.047mm處。 3.9確定修正后的轉爐傾動力矩 確定最佳耳軸位置后，要重新修正轉爐的傾動力矩。運用Solidworks2013軟件，將原先的預設耳軸中心線參照原來的位置，向上調(diào)整修正值27.047mm，也就是確保最佳耳軸位置中心線距離爐底的距離H=4647.047mm。然后按照3.5中的方法，轉爐每傾轉5°時，計算爐液力矩和空爐力矩的總和。從而確定修正最佳耳軸后的轉爐傾動力矩。如表3.2 表3.2 修正后的傾動力矩 傾轉角度（°） 綜合力臂（m） 空爐、爐液總質量（t） 空爐、爐液總力矩(t·m) 耳軸摩擦力矩(t·m) 傾動力矩 (t·m) 5 0.028957 698.367 20.222 32.435 52.657 10 0.058451 698.367 40.820 32.435 73.255 15 0.087609 698.367 61.183 32.435 93.618 20 0.115304 698.367 80.525 32.435 112.960 25 0.141191 698.367 98.603 32.435 131.038 30 0.166971 698.367 116.607 32.435 149.042 35 0.192359 698.367 134.337 32.435 166.772 40 0.216417 698.367 151.138 32.435 183.573 45 0.237998 698.367 166.210 32.435 198.645 50 0.255736 698.367 178.598 32.435 211.033 55 0.267895 698.367 187.089 32.435 219.524 60 0.272052 698.367 189.992 32.435 222.427 65 0.264436 698.367 184.673 32.435 217.108 70 0.241127 698.367 168.395 32.435 200.830 75 0.204936 698.367 143.121 32.435 175.556 80 0.155838 698.367 108.832 32.435 141.267 85 0.091503 698.367 63.903 32.435 96.338 90 0.007650 698.367 5.343 32.435 37.778 91.435 0.020929 698.367 14.616 32.435 47.051 95 0.031487 633.371 19.943 32.435 52.378 100 0.014387 567.708 8.168 32.435 40.603 105 0.050760 536.834 27.250 32.435 59.685 110 0.097891 523.519 51.248 32.435 83.683 115 0.114880 518.395 59.553 32.435 91.988 115.1815 0.114821 518.367 59.519 32.435 91.954 120 0.109880 518.367 56.958 32.435 89.393 3.10繪制傾動力矩曲線圖 結合3.9中修正最佳耳軸后的傾動力矩，通過使用WPS2013繪制隨著傾轉角度改變的傾動力矩曲線圖。傾動力矩單位(t·m)。如圖3.9 圖3.9 傾動力矩曲線圖 4電動機、制動器及聯(lián)軸器的設計與校核 4.1 電機容量計算與確定電機型號 4.1.1確定電機型號 要選擇電機，根據(jù)參考文獻［2］可知：一般轉爐高速取0.6～1.5 r/min；低速取0.1～0.3 r/min。本文取轉爐轉速n=1.0 r/min。確定電機功率可根據(jù)公式（4.1） （4.1） 式中：N——電機需要的功率，KW； ——轉爐計算最大傾動力矩，；=222.427t·m=2224.27KNm ——正常工作時，運轉電動機的個數(shù)； n——轉爐轉速，r/min； ——考慮到電壓降引起力矩誤差以及傾動力矩計算誤差，取1.1～1.3，常用1.1； ——考慮到多電動機傾動時，電機不同步造成的力矩誤差，一般取1.1； ——傾動機構的總機械效率，初步計算時，對于齒輪傳動=0.85～0.95； ——安全系數(shù)， 根據(jù)百度上鋼鐵工業(yè)重要動力設備可查得所選電機應為ZZJO-82型復勵直流電機（復勵直流電機可以兩個轉向，只需要在改變主勵磁極性的同時也改變串勵極性貨只改變電樞極性，電機就可以反轉，在惡劣的工作環(huán)境中，能經(jīng)受頻繁的啟制動和轉向，重復大的過載轉矩。），其主要參數(shù)有： 額定功率N=83KW；額定轉速n=500 r/min；過載系數(shù)=3；電動機飛輪力矩GD=58。 4.1.2電動機工作制度值及發(fā)熱值的校核 200噸轉爐從出鋼一直到返回吹煉之間，這段時間內(nèi)啟、制動頻繁電動機運轉時間長，其值為： 故值滿足條件，由于值較低，發(fā)熱不會有問題，故不再做發(fā)熱校核。 4.1.3電動機的過載校核 （1）塌爐過載校核 轉爐最大力矩是塌爐力矩，通常為正常工作最大傾動力矩的三倍，因此要求電動機的最大過載力矩比三倍最大傾動力矩要大些，即： 塌爐力矩 （4.2） 轉爐轉速n=1.0r/min；電機轉速為500 r/min；過載系數(shù)=3。 則有： ，即：（KNm） 故塌爐時，只要電機在500 r/min以下運轉，則電動機過載即可滿足。 （2）事故過載 當一臺電動機出事故時，另幾臺電動機要繼續(xù)工作直至本爐冶煉結束。假設電動機在轉爐1.1 r/min下過載工作，此時有， 按公式： （4.3） 2224.27KNm，故一臺電動機工作時，只要轉爐轉速低于1.1 r/min以下，過載運轉就能滿足要求。 （3）高速過載 當電動機電壓超出額定電壓，電動機轉速提高，此時設轉爐轉速為=1.5 r/min，則有，所以。按文獻［2］公式： （4.4） 有2224.27KNm，故高速運轉時，電動機過載也能滿足要求。 4.1.4確定啟動時間 轉爐用電動機，除功率、過載等要求滿足外，為了降低啟動時動負荷以及疲勞對傾動機械強度的影響，還要對其啟動力矩及啟動時間加以控制。通常，啟動力矩取電動機額定力矩的1.1～1.2倍，常取1.15倍。啟動時間控制在2～5秒之間（大轉爐取大值）。啟動時間按下式計算： 式中 n——電動機達到穩(wěn)定運轉后的轉速，r/min； M——折合到電機軸上的轉爐最大力矩，； ——傾動機械總速比； ——傾動機構的總機械效率； ——轉爐計算最大傾動力矩，； ——安全系數(shù)； ——電動機啟動力矩，； （4.5） ——轉爐及其傾動機械折合到電動機軸上的飛輪力矩，； （4.6） 式中 ——電動機飛輪力矩，； ——聯(lián)軸器的飛輪力矩，； ——考慮到各級大齒輪、高速軸，轉爐爐體及托圈產(chǎn)生的飛輪力矩引起的影響因數(shù)。 啟動時間為3.76秒，可以滿足要求。 4.2 聯(lián)軸器的計算與選擇 聯(lián)軸器按下式計算選擇： （4.7） 即： 式中 ——驅動功率，KW； n——工作轉數(shù)，r/min； ——動力機系數(shù)，電動機取1.0； ——工況系數(shù)，重沖擊載荷取2.75； —