机械毕业设计（论文）-180吨转炉倾动机构设计【全套图纸】 .pdf

第 页 180 吨转炉倾动机构设计 摘 要 倾动机构是实现转炉炼钢生产最主要的设备之一，它的特点是倾动力矩大、 减速比大、启制动频繁和能够承受较大的动载荷。转炉倾动机构工作在多渣尘 和高温的恶劣工作环境中，因而其可靠性和寿命对于整个转炉设备的安全运转 有着非常重要的影响。为获得适应于驱动的低转速，需要很大的减速比。转炉 炉体自重很大，再加装料重量等，整个被倾转部分的重量要达上百吨或上千吨。 转炉倾动机械的工作属于“启动工作制” 。机构除承受基本静载荷作用外，还要 承受由于启动、制动等引起的动载荷。这种动载荷在炉口刮渣操作时，其数值 甚至达到静载荷的两倍以上。启、制动额繁，承受较大的动裁荷。转炉倾动机 械随着氧气转炉炼钢生产的普及和发展也在不断的发展和完善，出现了各种型 式的倾动装置。其中，带有扭力杆缓冲止动装置的全悬挂式倾动机械，由于其 独有的多点啮合柔性传动的优势，逐渐成为主流。本文对转炉倾动机构的基本 形式做了简单介绍。重点介绍用 3d 法计算转炉倾动力矩的整体过程。完成了最 佳耳轴位置的选择计算，绘制了倾翻力矩曲线，完成对转炉倾动的电机选择与 校核，并对整个倾动系统的主要零部件进行了计算和校核。本论文对转炉倾动 机构的设计提供了一种新思路。 关键词：转炉；倾动机构；倾动力矩；设计参数；可靠性 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 第 页 第 页 180 t converter tilting mechanism design 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; design parameters; 第 页 reliability 第 页 目 录 1 绪论 8 1.1 课题研究背景及意义. 8 1.2 转炉炼钢工艺流程. 9 1.3 转炉倾动机构的设计原则. 3 1.4 国内外研究现状和发展趋势. 10 1.4.1 国外转炉倾动装置的研究现状和发展趋势 10 1.4.2 国内转炉倾动装置的研究现状和发展趋势. 11 1.5 本文主要研究内容及方法 12 2 转炉倾动机构总体方案的确定 . 14 2.1 倾动机构的配置形式的比较与选择. 14 2.2 倾动机构的驱动的电机的选择. 17 2.3 倾动机构减速器的设计方案. 18 2.4 联轴器、齿轮、轴、轴承、制动器的选择. 18 3 转炉倾动力矩的计算 20 3.1 倾动力矩的组成部分. 20 3.2 确定转炉炉型. 22 3.3 确定转炉重心. 24 3.4 确定预设耳轴位置. 27 3.5 计算炉液力矩与空炉力矩. 27 3.6 确定耳轴摩擦力矩. 30 3.7 运用 excel 绘制倾动力矩表格. 31 3.8 确定最佳耳轴位置. 32 3.9 确定修正后的转炉倾动力矩. 32 3.10 绘制倾动力矩曲线图. 34 4 电动机、制动器及联轴器的设计与校核 35 4.1 电机容量计算与确定电机型号 35 4.1.1 确定电机型号 35 第 页 4.1.2 电动机工作制度 c j 值及发热值的校核 . 36 4.1.3 电动机的过载校核 36 4.1.4 确定启动时间 37 4.2 联轴器的计算与选择 38 4.3 制动器的计算与选择. 39 4.3.1 制动器的选择计算 39 4.3.2 制动时间校核 40 5 齿轮传动系统的设计计算 41 5.1 分配传动比. 41 5.2 运动以及动力参数计算. 41 5.3 齿轮传动设计. 43 5.4 其它齿轮设计算. 48 5.5 齿轮的校核. 50 6 轴及轴承的设计计算 51 6.1 轴材料的确定. 51 6.2 轴的设计计算. 51 6.3 轴的校核. 54 6.4 轴承的校核. 58 7 扭力杆系统的设计 60 7.1 扭力杆缓冲止动装置 60 7.2 扭力杆设计计算 61 7.2.1 扭力杆直径和曲柄半径的确定 61 7.2.2 安全座空隙的选择. 61 8 设备的可靠性和经济评价 . 62 8.1 设备的可靠性 62 8.1.1 设备平均寿命 62 8.1.2 可靠度的计算. 62 8.1.3 机械设备的有效度. 63 第 页 8.2 设备的经济评价 64 8.2.1 投资回收期. 64 8.2.2 盈亏平衡分析. 65 结 论. 67 致 谢. 68 参考文献. 68 1 绪论 1.1 课题研究背景及意义 钢铁工业是国民经济重点发展行业，是发展国民经济与国防建设的物质基 础， 其发展水平是一个国家很重要的综合国力的表现。 1837 年德国人贝斯卖 2 提出的底吹酸性转炉冶炼法是近代炼钢工艺的开始，借此生产了大量的廉价钢， 对欧洲第二次工业革命的发生起了间接推动作用，但是此种炼钢工艺不能快速 有效的去除磷和硫，所以它的发展受到了很大的限制。随着 1882 年底吹碱性转 炉炼钢法的发明，可以用碱性炉衬转炉来解决高磷生铁问题，然而这种方法对 生铁的成分有比较严格的要求。 1847 年法国出现了采用蓄热方式的平炉炼钢法。 1869 年又出现了碱性平炉冶炼法，这种方法对冶炼的配料的限制不是很苛刻， 而且有冶炼产品种样多和冶炼容量大等优点，因而出现仅仅 30 年它便成为钢铁 行业最主要的冶炼钢方式。到上世纪中叶，平炉冶炼出来的钢总量大概占世界 钢产量的 85%。20 世纪 50 年代，奥地利率先使用纯氧顶吹转炉炼钢法，其最大 的不同点就是有效解决了钢中氮气等杂质的有害成份问题，而且降低了废气的 产生量（采用普通空气吹炼时，空气中含有约 79%没用的氮气） ，避免了热能的 大量损失。而且它的重量和平炉相接近，这样可以冶炼相对低温状态的平炉生 铁，从而能利用更多的废钢，节省冶炼钢铁所需的燃料。 转炉倾动装置是转炉炼钢最关键的机械设备之一，在转炉炼钢生产过程中， 它的主要作用是确保转炉的准确定位以便倾动装置能平稳倾动，并完成后续的 转炉兑铁水、加料、出钢和修炉等操作流程2 。转炉倾动装置倾动作业的特 点是： (1) 倾动力矩大。转炉炉体本身质量大，再加上钢铁炉液、废料等料重，使 整体倾转部分重量可能高达数百吨或数千吨，所以倾动机构必须输出数百甚至 数千吨牛米的倾动力矩才能保证转炉的正常倾转。 (2) 减速比大。高温的金属熔液在转炉炉体里翻转，在出钢、兑换铁水等工 艺过程中，要求转炉炉体能够较稳的转动并能正确停位。所以，需要采用较小 的倾动速度，需要很大的减速比才能获得如此低的转速。 (3) 承受较大的动载荷， 启、 制动频繁。 转炉炼一炉钢的时间， 通常是 40min 左右，从我国上世纪 120t 炼钢厂的转炉数据来看，在 40min 左右的时间里，进 行启制动的次数高达 25 次，再加上慢速操作的 45 次点动控制就超过三十多 次。加之原料中含磷量过高，转炉吹冶炼过程中就必须更加频繁的提高倒渣次 数5。 1.2 转炉炼钢工艺流程 转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程主要由以下 六步组成： （1）上炉出钢、倒渣，检查炉衬和倾动设备等并进行必要的修补和修理； （2）倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体（至垂直位置） ； （3）降枪开吹，同时加入第一批渣料（起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色烟 雾，随后喷出暗红的火焰；35min 后硅锰氧接近结束，碳氧反应逐渐激烈，炉 口的火焰变大，亮度随之提高；同时渣料熔化，噪声减弱） ； （4） 35min后加入第二批渣料继续吹炼 （随吹炼进行钢中碳逐渐降低， 约12min 后火焰微弱，停吹） ； （5）倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢； （6）出钢，同时（将计算好的合金加入钢包中）进行脱氧合金化。 图 1.1 高炉、转炉、电弧炉系统炼钢流程图 1.3 转炉倾动机构的设计原则 1转炉倾动机构在运行时的工艺操作主要有：兑铁水、装料、取样、测温、 出钢、出渣以及返回等。需要保证炉体能够进行 360的正序及反序的旋转，这 样才能够保证炉体能够在任意角度的位置上准确而平稳的安置。此外还需要配 合烟罩提升、吹氧管机构等的操作，避免操作失误。 2机构操作必须连贯灵活。转炉在运行过程中一般要具有两种以上的倾动 速度：当转炉整体转动幅度较大时，应选择较快的速度，以保证能够缩短冶炼 的周期；当转炉出钢、出渣、测温取样时，应选择较慢速度，这样能够避免由 于钢渣的猛烈冲击而导致的炉液喷溅和溢出等事故的发生。 3倾动机构应保证安全并且可取。由于转炉内含有高温液体金属，因此传 动系统在整个生产活动中必须具备备用的能力，即如果在生产中某一部分的功 能发生异常出现故障，它仍然能够继续运行到该炉的冶炼工作结束。 4倾动机构要可以适应载荷以及结构的变化。也就是说当由于托圈出现绕 曲变形而导致耳轴轴线的偏斜时，各部位的传动齿轮副仍能正常工作保持啮合 状态。此外，机构还应具有减缓动载荷的性能以及冲击载荷的能力。 5要求占地面积少、结构紧凑、高效率、维修方便等。 1.4 国内外研究现状和发展趋势 1.4.1 国外转炉倾动装置的研究现状和发展趋势 氧气转炉的发展早在 20 世纪 50 年代开始应用于钢铁炼制，并在之后的 10 年得到了飞速的发展，成为炼钢的主要设备之一。在炼钢生产主要大国德国、 美国、日本等，基本都采用以氧气转炉为主导的炼钢法。而在这些发达国家中 转炉炼钢产量的总比例平均超过了 70%。随着钢铁技术的不断发展，对转炉倾 动机构性能的要求也越来越高，多点柔性啮合传动机构已经发展成为最新的传 动形式。田日玄一傅2将稳健设计的基本原理应用于转炉倾动机构的优化设 计中，使之成为日本钢铁工业快速发展的重要因素。分别通过研究齿轮传动系 统中的设计要求、加工制造误差、安装精度等因素对齿轮副的故障诊断、动态 特性、噪声特性的影响，分析表明轮齿齿廓加工误差的幅值和相位的变化对齿 轮副的振动影响较大，同时也会对齿轮设计的基本参数的重新优化有明显的影 响。paclot7利用固有频率法分别通过单级、两级、多级齿轮传动转子系统 的扭转振动和横向振动的耦合对轴承弹性支撑的影响进行了研究，给出了一种 研究齿轮传动系统研究的新型方法。umezawa7等学者通过选取结构形式不 同的齿轮轴与长度不等的光轴进行了大量实验，研究了本身的结构参数对齿轮 传动系统的振动摆动研究的影响。kahraman7同样研究了齿轮传动系统的振 动摆动影响因素，并建立了与之相对应的斜齿轮线性、非线性动态模型，并重 点研究了两种模型下的齿轮轴轴向振动对传动机构的影响，这些研究为转炉多 点齿轮柔性传动的设计提供了实践基础。 1.4.2 国内转炉倾动装置的研究现状和发展趋势 国内很多学者对转炉倾动装置进行了多方面的探讨，于文妍3等对某炼 钢厂的转炉托圈如何产生裂纹的原因进行了分析研究，并提出了改造的方案措 施，从而消除了由于转炉托圈裂纹而带来的潜在事故隐患。杨彦宏5等分析 了转炉倾动装置传动侧耳轴发生摆动的原因，对耳轴中心呈现椭圆形运动的轨 迹行了分析测量，并根据耳轴实际受力环境找到其影响因素，提出改进措施。 陈宏伟3等对转炉倾动机构运行过程中出现的的点头现象进行了深沉次的探 讨，并给出了相应的解决方案，为转炉倾动机构的平稳运行提供了保证。刘海 宇3等为降低转炉倾动机构在运行过程中受到的动载冲击，进行了转炉倾动 机构二次设计及改进，为保证转炉设备安全运行提供了保障。从不同角度同样 分析了转炉转动时传动侧耳轴中心呈圆形轨迹的原因，探讨了转炉托圈传动侧 耳轴发生回转摆动、减速机偏摆等现象、实地测量扭力杆止动装置间隙的数值， 通过分析对比寻找规律，为转炉倾动装置的使用、保养提供了实践参考价值。 李文秀3等从倾动机构各级齿轮轴的断裂口的金相组织、材料的化学组成、 材料力学等多方面进行分析，并提出改进措施。采用计算机数值仿真的方法， 对全悬挂转炉倾动机构进行动态模拟仿真，探讨了缓冲零部件的预紧力对耳轴 所受扭矩的影响程度。为了降低转炉设备经费，提高设备运行的可行性，在保 证设备性能基础的前提下对转炉倾动装置进行了结构上的优化设计，解决传统 型转炉设备庞大、笨重、不宜安装、调试、拆装的问题。 1.5 本文主要研究内容及方法 在生产过程中，由于转炉起动、制动所产生的冲击力很大，缩短了各个零 部件的使用寿命，而且倾动机构传动系统的传动比方案复杂，传动比很大（可 达到 600800） ，因此倾动机构整体尺寸依然庞大，设备投资巨大。为了提高设 备投资的经济效益，对倾动机构进行优化设计有很大的必要。 本文对于转炉倾动机构的优化设计工作和方法主要在以下几个方面： 1）选择合理的倾动方案，通过对存在的几种倾动方案的比较，选出最佳的 倾动方案作为设计对象确定，规定设计主要的研究方向，为选择参考资料作准 备。 2）利用 solidworks2013 建立三维模型，对倾动机构的各参数进行分析，减 少大量计算和繁琐编程过程，减少设计劳动量，缩短设计周期。 3）选定合理的正力矩设计原则，正确地计算和分析转炉的倾动力矩曲线； 通过对转炉操作工况以及倾动力矩曲线各区域力矩值的分析，确定传动机构的 合理设计载荷及工作寿命。 4）合理选择电机类型，考虑其过载能力与电流值在合适的范围内，以减小 变频器的选型容量，节省变频器的投资。 5）根据设计载荷对减速机传动比进行合理分配，目标是减小齿轮的体积， 同时使各级齿轮传动比的安全系数接近以减小个别传动级的富余强度。 6）改进并且简化设备的结构，在实现功能的前提下减少设备的零件种类。 7）对重要零部件进行校核和可靠性分析，选择合理的尺寸和大小，减小设 备重量。 具体设计流程如图 1.2 图 1.2 转炉倾动传动系统 2 转炉倾动机构总体方案的确定 2.1 倾动机构的配置形式的比较与选择 转炉倾动机构应避免使高大的转炉跨间柱距加大，增加土建困难，所以总 体配置要紧凑，同时传动装置的配置不得高于操作平台，使转炉具有良好的操 作环境。经过对倾动机构的不断改进，出现了一些不同的配置形式，可归纳为 落地式、半悬挂式、全悬挂式三种类型。 1 落地式 最早采用的一种布置形式的转炉倾动机构是落地式。应用于小容量转炉上， 它的倾动机构除末级大齿轮装在托圈耳轴上与安装在地面上的传动装置中的小 齿轮啮合外，其余都安装在地基上。 图2.1落地式转炉倾动机构 落地式存在的主要问题是当托圈挠曲出现严重变形时， 会引起如图 2.1 所示 中耳轴轴线发生较大偏斜，进而会影响末级齿轮副的正常啮合，造成齿轮轮齿 上的载荷集中，经常会因此导致齿轮磨损严重和小齿轮轮齿断裂或传动装置上 的其它事故。对小转炉来说，只要托圈刚性较好，落地式的布置结构简单，还 是可取之处的。但是对于大、中型转炉来说存在着缺点，由于它的低速级联轴 器的尺寸和重量都很大的，所以占地面积较大。即使转炉增加基建投资，加大 跨间建筑面积，而且设备重量较大。 2 半悬挂式 半悬挂式的产生是以落地式的配置为基础逐步发展起来的。它的特点就是 通过齿式联轴器或万向联轴器把减速器小齿轮与主减速器联接起来，然后通过 减速器箱体把末级齿轮悬挂在转炉耳轴上，其它传动机构仍然在地基上安装。 如图 2.2 所示 图 2.2 半悬挂式转炉倾动机构 由于半悬挂式装置的末级大、小齿轮均通过减速机悬挂在耳轴上，所以当 耳轴轴线发生偏斜时，它们之间仍然可以保持正常的啮合。因此半悬挂装置的 占地面积和重量要相对少一些。但是半悬挂装置中悬挂减速器和主减速器之间 一般还是需要通过齿式联轴器或万向联轴器来连接，所以它的占地面积还是比 较大的。 半悬挂式结构也存在一些新的问题，既悬挂减速器必须配套安装抗扭转装 置。悬挂减速器被悬挂在耳轴上，当倾动机构运转时，外力矩的作用会使它产 生一种围绕耳轴回转的力矩。所以，为了避免悬挂减速器由于回力矩的作用发 生围绕耳轴回转的现象，必须在它上面安装一个抗扭装置。此外，半悬挂式倾 动机构中没有末组体积庞大的联轴器，所以其在占地面积以及重量上面都要相 对减小了一些。但是，选悬挂式装置的占地面积也是比较可观的，因为它仍然 需要通过万向按轴或者齿式联轴器在悬挂减速器以及主减速器之间进行联接。 3 全悬挂式 全悬挂式倾动机构是指包括电动机、制动器、一级减速器在内所有的倾动 机构全都固定在二级减速机箱体上，然后悬挂在驱动耳轴的外端上，只有扭力 杆平衡止动装置放置在地基上。到目前为止，一般的大型全悬挂式转炉倾动机 构基本上都采用的都是多点啮合柔性传动机构，这种传动机构与传统系统相比 不仅减小了重量和尺寸，还保证了运行期间的可靠性，我们所谓的多点啮合柔 性支撑传动其实就是在末级传动系统中，许多各自带有传动机构的小齿轮共同 驱动同一个末级大齿轮，然而整个二级减速器的两端是由两根立杆通过曲柄与 水平扭力杆连接支撑在基础上。 全悬挂式多点啮合柔性传动倾动机构有其他配置没有的诸多优点，包括结 构紧凑、占地面积小、重量轻、工作性能好，运转安全可靠等。由于多点啮合 的传动装置一般至少采用两套以上，所以即使其中有一到两套发生故障的时候， 仍然能保证整个系统正常的运行，具有较高的安全系数。整个传动装置都是悬 挂在耳轴之上，即使当托圈发生扭曲或者边形的时候，齿轮不会受到影响，仍 然能够正常啮合。由于采用了柔性抗扭的缓冲装置，所以大幅度减少了动载荷， 使得转炉运转起来更加安全平稳。 与半悬挂式相比较而言，全悬挂式具有结构紧凑、占地面积小等优点，此 外即使托圈发生变形扭曲，也不会影响到其他传动部件的正常啮合。同时，不 需要安装低速级的大型联轴器或万向联轴器，这大大减少了悬挂式转炉倾动机 构之间的传动缝隙。而且，它采用的柔性抗扭缓冲装置，使得力矩在传动过程 中逐渐增加或减少，大幅度减少了动载荷和冲击力。但是，全悬挂式同时也存 在着一些问题，例如对抗扭缓冲装置的性能有比较高要求，同时还要把悬挂减 速器箱体的刚度问题考虑在内，必须加强箱体的刚度才能有效避免由于刚性不 够而影响到整个系统的正常运转。此外，全悬挂机构中转炉耳轴轴承的负荷增 大了不少，因此对耳轴强度要求也相对变得比较高。最后，全悬挂式中的啮合 点有所增加，因此它的结构变得更加复杂，这对机构的工程要求比较严格。 本文对倾动装置的设计采用了全悬挂式的配置 图 2.3 全悬挂式转炉倾动机构 2.2 倾动机构的驱动的电机的选择 目前国内以电机作为大型炉的驱动装置主要有两种形式，一种为直流电动 机调速，另一种为交流电动机调速。交流电动机可以实现快速、慢速两种倾动 速度要求，但是由于大型炉需要经常启制动，平均每分钟四次甚至更多，在出 这使得倾动机械的电气系统和机械系统都会产生严重的冲击尖峰载荷，而且经 常造成接触器触点和制动器电磁线圈烧毁，增加了电器事故，影响了正常的生 产安全和人员安全，不适合在大型炉使用。而直流电动机可以实现多级或无级 变速，通过一般的齿轮减速机就能充分满足不同倾动速度的要求，而且直流电 动机具有相当的过载能力，有利于保证转炉操作要求。我国转炉一般使用交流 电动机 jzr 型（jzrb 型）及直流电动机 zz 或 zzj 型作为驱动动力。 2.3 倾动机构减速器的设计方案 转炉倾动机构减速机主要是由四个展开式多级圆柱斜齿轮减速机组成，在 主减速机的对角线位置分布，这种减速机由于使用了斜齿轮，能有效降低噪声， 而且啮合平稳，冲击较小。然而会对轴产生较大的轴向力，故可以使用圆锥滚 子轴承加以稳定平衡。 图 2.4 全悬挂式转炉倾动机构减速器 2.4 联轴器、齿轮、轴、轴承、制动器的选择 联轴器要选择带制动轮的联轴器，根据计算公式到机械设计手册中查找所 需要的联轴器。齿轮设计要根据有关公式进行设计并要进行校核，轴承、轴也 是按照机械设计手册中的要求进行设计并进行并对其校核，轴承校核寿命，轴 校核强度。在选择制动器时，既要考虑到制动器要有足够的制动力矩、保证转 炉安全和准确定位、不致因制动器失灵造成工艺操作事故；又要考虑到制动时 间不应太短，否则会造成倾动机械承受过大的动负荷引起扭振疲劳。为了确保 安全，转炉的每个传动系统中至少有两个以上的制动器。具体方法不在这里详 述，本文会在以后章节中进行详细计算。 3 转炉倾动力矩的计算 3.1 倾动力矩的组成部分 倾动力矩是转炉倾动机构设计的重要数据，是确定转炉最佳的耳轴位置重 要参数依据，同时也是合理操作转炉并提高其可靠性与寿命的依据之一。 转炉倾动力矩1构成部分由三块组成： myk mmmm+= (3.1) 式中 k m 空炉力矩（由炉壳和炉衬重量引起的静阻力矩） ，空炉的重心 与耳轴中心的距离是不变的，在倾动过程中，空炉力矩 k m 与倾动角度 存在正 弦函数关系； y m 炉液力矩（炉内液体铁水和炉渣引起的静力矩） ，在倾动过程 中，炉液的重心位置是变化，出钢时其重量也发生变化的，均随倾动角度 的 变化而变化，故 y m 倾动角度 存在函数关系； m m 转炉耳轴上的摩擦力矩，在出钢过程中其值也有变化，但其 值较小，为了计算简便，在倾动过程中可视为常量。 转炉对耳轴的转动惯量由空炉和炉液对耳轴转动惯量两个部分组成： ky jjj+= (3.2) 式中 k j 空炉对耳轴的转动惯量，是常量，不随倾动角度改变； y j 炉液对耳轴的转动惯量， 因为炉液重量和重心均随着倾动角度 变化而变化，其转动惯量值也随倾动角度而改变。 转炉倾动力矩和转动惯量的计算步骤： （1）预选一个参考的耳轴的位置； （2）新炉炉型的空炉重量、重心和空炉力矩的计算； （3）新炉炉型在不同倾动角度下（每隔 5 ）的炉液重量、重心和炉液力矩 的计算； （4）新炉炉型摩擦力矩的计算及新炉在不同倾动角度下的合成倾动力矩计 算； （5）确定最佳耳轴的位置； （6）按最佳耳轴位置，重新计算新炉空炉力矩、新炉炉型在随倾动角度变 化的炉液重量、重心和炉液力矩、新炉合成倾动力矩。并画出随倾动角度变化 的倾动力矩曲线。 空炉力矩 k m ，炉液力矩 y m ，转炉耳轴上的摩擦力矩 m m 的具体计算公式 和分析方法如下： )sin( kkkk rgm += (3.3) 式中 k g 空炉重量（吨） ； k r 空炉重心 k 至耳轴中心 l 的距离（m） ； 倾动角度（。 ） k k r 与 z 轴线的夹角， k k k zh x = 1 tan； h预先给定耳轴中心 l 的 z 坐标值（m） ； k x 、 k z 空炉合成重心的 x、z 的坐标值。 cossin)( yyyy xzhgm= (3.4) 式中 y g 炉液重量（吨） ； h预先给定耳轴中心 l 的 z 坐标值（m） ； y x 、 y z 炉液重心的 x、z 的坐标值； 倾动角度（。 ） 。 2 )( d ggggm ykm += 悬托 (3.5) 式中 k g 空炉重量（吨） ； y g 炉液重量（吨） ； 托 g 托圈及附件重量； 悬 g 悬挂减速机的重量； 摩擦系数；对滑动轴承取15 . 0 1 . 0=；对滚动轴承取 05 . 0 02 . 0 =； d滑动轴承取耳轴直径（m） ；滚动轴承取轴承的平均直径 2 外内 dd d + =。 3.2 确定转炉炉型 国内外氧气顶吹转炉的炉型大概有以下图 3.2.1 三种类型： a 型：炉帽是截锥形、炉底为球缺形、炉身为圆筒形； b 型：炉帽是截锥形、炉底为球缺形或倒截锥形、炉身为圆筒形； c 型：炉帽是倾角比较大的截锥形、炉底为球缺形、炉身是上面大下面小 的倒截锥形。 图 3.1 转炉炉型 因为在整体结构与实际应用上 180 吨转炉更适合 b 型。因此本文的设计采 用 b 型转炉炉型 本设计采用的 180 吨转炉炉型图 如图 3.2 图3.2 180吨转炉炉型图 3.3 确定转炉重心 本文运用 solidworks2013 软件画出转炉炉体的三维图像，并通过选定密度 合适的材料作为炉衬以及炉壳的材料进而确定空炉重心的位置。在本设计中转 炉炉壳采用 16mncr5 合金钢板材料，密度为 7800kg/m。该材料目前为国内最 为广泛的转炉材料，物理性能优越，价格较低，具有较高的性价比。而炉衬本 文采用平均密度为 2240kg/m的耐火材料作为原材料。 确定空炉重心具体操作过程如下： （1）根据确定的 180 吨转炉炉型图，运用 solidworks2013 软件画出转 炉炉体的三维图像。分别画出炉壳以及炉衬的三围立体图形。然后分别选定炉 壳以及炉衬的材料。如图 3.3 和图 3.4 图 3.3 炉壳以及所选材料 图3.4 炉衬以及所选材料 （2）将选定好材料的炉壳和炉衬进行装配。装配完成后，点击评估 质量特性就可得到转炉空炉时的重量、体积、重心等等参数。可为下一步 计算作准备。如图 3.5 图 3.5 空炉质量属性 具体数值如下： 输出坐标系 : - - 默认 - - 质量 = 518367.371 千克 体积 = 187882135895.330 立方毫米 表面积 = 879396411.104 平方毫米 重心 : ( 毫米 ) x = 0.000000 y = - 5479.832 z = 0.000000 惯性主轴和惯性力矩 : ( 千克 * 平方毫米 )由重心决定。 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 惯性张量 : ( 千克 * 平方毫米 )由重心决定，并且对齐输出的坐标系。 lxx = 6325218454458.706 lxy = - 0.000 lxz = 0.000 lyx = - 0.000 lyy = 4839522416207.996 lyz = 0.000 lzx = 0.000 lzy = 0.000 lzz = 6325218454458.706 惯性张量: ( 千克 * 平方毫米 )由输出座标系决定。 ixx = 21891042901566.543 ixy = - 0.003 ixz = 0.000 iyx = - 0.003 iyy = 4839522416207.996 iyz = - 0.000 izx = 0.000 izy = - 0.000 izz = 21891042901566.543 3.4 确定预设耳轴位置 预设耳轴位置为空炉重心之上 100mm。 在距离图 3.2.2 炉底 4620mm 的中心 线上。在 solidworks2013 软件中，按照预设耳轴位置来装配炉壳和炉衬便于计 算空炉力矩以及炉液力矩。 3.5 计算炉液力矩与空炉力矩 在 solidworks2013 软件中，使用炉液在装配体中的直接切割方法计算炉液 力矩与空炉力矩的总和。算定炉液的平均密度为 7200kg/m。如图 3.6 图 3.6 炉液以及所选密度 这样计算不需要将炉液力矩以及空炉力矩分别算出，可以简便的算出炉液 力矩以及空炉力矩的总和。为计算倾动力矩的总和提供了简便。 绘图过程可分为三个阶段：炉液倾倒前、炉液倾倒中和炉液倾倒后。旋转 的角度也可分为三个阶段，091.435、91.435115.1815 、115.1815 360。其中 91.435为炉液刚开始倾倒时的角度，115.1815为炉液全部倾倒 时的角度。 操作过程如下： （1）当倾角为 091.435时，在炉衬的内侧圆边界上引一条水平直线和 一个平行于炉口的平面。将该平面以该直线为基准旋转做拉伸切除。点击（质 量属性）调整拉抻切除长度以保证炉液质量为 180 吨。可得到转炉在不同角度 时的炉液与空炉的总力臂 l。在此阶段重量为空炉和炉液的总重量为 698367.371kg。如图 3.7 10时炉液状态 30时炉液状态 50时炉液状态 60时炉液状态 70时炉液状态 80时炉液状态 90时炉液状态 91.435时炉液状态 图3.7各角度时炉液状态 （2）当倾角为 91.435115.1815时，按（1）中所做直线与平面旋转， 但只需调整平面角度。调整后，在总装配图中（质量属性）中，可查得没个角 度下的炉液与空炉总质量以及总力臂。如图 3.8 100时炉液状态 115.1815时炉液状态 图 3.8 （3）当倾角为 115.1815360时，此时炉液已全部倾倒，该阶段为空炉 旋转。 3.6 确定耳轴摩擦力矩 根据 3.1 中的公式有 耳轴轴承的摩擦系数 =0.020.05 本设计中耳轴轴承摩擦系数04 . 0 = 耳轴轴承直径 d=1180mm 采用双列向心滚子轴承35516601180 摩擦直径md42 . 1 2 16601180 = + = 本次设计取耳轴摩擦系数 =0.04； 分瓣式托圈质量 托 g =285.78t；耳轴上悬挂的减速箱组的重量 悬 g =157.93t 已知 k g + y g =698.367t 由公式 2 )( d ggggm ykm += 悬托 计算可得摩擦力矩 m m =32.435tm 3.7 运用 excel 绘制倾动力矩表格 本文采用 wps2013 软件来阐述，操作过程为点击（插入）（表格）选中 所需要的表格类型即可完成。 综合上述经计算后可得出预设耳轴位置时的倾动力矩。如表 3.1 表 3.1 预设耳轴倾动力矩 倾转角度 （） 综合力臂 l（m） 空炉、炉液总质 量 k g + y g （t） 空炉、炉总力矩 k m + y m (tm) 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，当转炉倾转 91.435时，转炉开始倾倒炉液，115.1815 时转炉炉液全部倾倒。当转炉倾转 60时，倾动力矩最大为 173.634tm。当转 炉倾转 90时，倾动力矩最小为 13.546tm。 3.8 确定最佳耳轴位置 最佳耳轴的位置确定，大致可分为两种方案，一种为“正负力矩等值” ，另 一种则为“全正力矩” 。由于考虑到转炉的安全性能，目前对于国内大多数转炉 的最佳耳轴位置确定大多采用“全正力矩”原则。因此也本文采用“全正力矩” 原则确定耳轴位置。其基本原则是整个倾动过程中不会出现负力矩。合成力矩 曲线全在“正力矩”的区域内，耳轴位置高出炉体重心位置较多，当倾动机构 的任一环节发生事故时，转炉在任何倾动角度下都能依靠其自身重力的力矩自 动返回零位，故其安全可靠性好。 根据全正力矩原则， （mk+my）min- mm0，代入最佳耳轴修正公式 0mhsing-hsing-mm myekyek =+ 其中：最佳耳轴修正值 为代入最小力矩时所对应的倾转角度 =90 （mk+my）min=13.546tm 代入公式计算得mmh047.27= 最佳耳轴位置mmh047.4647)047.27(4620= 因此最佳耳轴位置在距离炉底 4647.047mm 处。 3.9 确定修正后的转炉倾动力矩 确定最佳耳轴位置后，要重新修正转炉的倾动力矩。运用 solidworks2013 软件，将原先的预设耳轴中心线参照原来的位置，向上调整修正值 27.047mm， 也就是确保最佳耳轴位置中心线距离炉底的距离 h=4647.047mm。然后按照 3.5 中的方法，转炉每倾转 5时，计算炉液力矩和空炉力矩的总和。从而确定修正 最佳耳轴后的转炉倾动力矩。如表 3.2 表 3.2 修正后的倾动力矩 倾转角度 （） 综合力臂 （m） 空炉、 炉液总 质量（t） 空炉、 炉液总 力矩(tm) 耳轴摩擦力 矩(tm) 倾动力矩 (tm) 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 绘制倾动力矩曲线图 本文应用 wps2013 软件绘制倾动力矩曲线图。结合 3.9 中修正最佳耳轴后 的倾动力矩，通过使用 wps2013 绘制随着倾转角度改变的倾动力矩曲线图。倾 动力矩单位(tm)。如图 3.9 0 50 100 150 200 250 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 91.435 95 100 105 110 115.1815 120 倾动力 矩 图 3.9 倾动力矩曲线图 4 电动机、制动器及联轴器的设计与校核 4.1 电机容量计算与确定电机型号 4.1.1 确定电机型号 要选择电机，根据参考文献2可知：一般转炉高速取 0.61.5 r/min；低 速取 0.10.3 r/min。 本文取转炉转速 n=1.0 r/min。 确定电机功率可根据公式 （4.1） kw nkm n max 27.78 488 . 0 975 11022221 . 1 975 3 = = （4.1） 式中：n电机需要的功率，kw； max m转炉计算最大倾动力矩，mkg ； 正常工作时，运转电动机的个数； n转炉转速，r/min； 1 k 考虑到电压降引起力矩误差以及倾动力矩计算误差，取 1.1 1.3，常用 1.1； 2 k 考虑到多电动机倾动时，电机不同步造成的力矩误差，一般 取 1.1； 倾动机构的总机械效率，初步计算时，对于齿轮传动 =0.850.95； k 安全系数，21 . 1 1 . 11 . 1 21 =kkk 根据参考文献可查得所选电机应为 zzjo- 82 型复励直流电机，其主要参数 有： 额定功率 n=83kw；额定转速 n=500 r/min；过载系数 =3；电动机飞轮力 矩 gd=58 2 mkg 。 4.1.2 电动机工作制度 c j 值及发热值的校核 180 吨转炉从出钢一直到返回吹炼之间，这段时间内启、制动频繁电动