机械毕业设计（论文）-铁水包烘烤装置设计【全套图纸】 .pdf

内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书 题 目：铁水包烘烤装置设计 学生姓名： 学 号：200440401328 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机 2004-3 班 指导教师： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） i 铁水包烘烤装置设计铁水包烘烤装置设计 摘要和关键词摘要和关键词 摘摘 要要：本文设计了一种新型的铁水包烘烤装置。该装置可以回收烟气中的余热，用来 加热助燃空气，从而达到减少空气污染、节省能源、提高铁水包烘烤温度和速度的目的。 同时，为了保证烘烤能够正常运行，又专门设计了铁水包包盖及其驱动装置，该装置采 用人工手动驱动，成本低、动作灵活、体积小、节省空间、使用方便。 本设计对煤气以及空气需要量进行了简单的计算， 主要对传动装置进行了设计计算， 从而确定了铁水包烘烤装置结构组成及其尺寸等。 关键词：关键词：钢包烘烤、余热回收、人工手动驱动、传动装置 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ii a design of baking hot metal package abstract and key words abstract in this paper, design a new package of hot metal baking devices. the device can recover the waste heat in the flue gas, used for heating combustion air, thereby to reduce air pollution, conserve energy, improve the package of hot metal baking temperature and speed purposes. meanwhile, in order to guarantee the normal operation of baking, hot metal bags were designed and built- driven devices, the use of artificial devices manually driven, low cost, flexible movements, small size, space- saving, easy to use. the design of gas and air requirements for a simple calculation, the main transmission device design and calculation to determine a package of hot metal baking devices, such as size and composition of the structure. keyword : ladle baking, waste heat recovery, artificial manual drive, transmission 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） iii 目 录 铁水包烘烤装置设计 . i 摘要和关键词 . i a design of baking hot metal package abstract and key words ii 第一章 概述 1 1.1 前言 . 1 1.2 钢包烘烤的意义 . 1 1.3 钢包烘烤技术的发展过程 . 2 1.4 钢包烘烤技术发展新趋势 3 1.5 几种钢包烘烤烧嘴的特点 . 5 1.5.1 简易高速烧嘴 5 1.5.2 油气两用烧嘴 6 1.5.3 自身预热式钢包烘烤器. 6 1.5.4 蓄热式烧嘴 7 第二章 燃料及燃烧 8 2.1 高炉煤气 . 8 2.2 焦炉煤气 . 9 2.3 空气需要量 . 10 2.3.1 气体燃料的理论空气需要量 . 10 2.3.2 空气需要量的计算 10 第三章 钢包烘烤装置传动方案 13 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） iv 3.1 装置介绍 . 13 3.2 方案介绍 . 13 3.3 最佳方案确定 . 14 3.4 手轮参数的确定 . 15 3.5 传动比的确定以及分配 . 15 3.5.1 总传动比的确定 15 3.5.2 传动比的分配 15 第四章 齿轮传动的设计及校核 17 4.1 一级蜗轮蜗杆的设计及校核 . 17 4.1.1 选择蜗杆的传动类型 18 4.1.2 选择蜗轮蜗杆的材料 18 4.1.3 确定主要参数 18 4.1.4 按齿面接触疲劳强度设计. 19 4.1.5 蜗杆蜗轮的主要参数的确定 . 21 4.1.6 校核齿根弯曲疲劳强度. 22 4.1.7 蜗轮的结构设计 23 4.2 二级蜗轮蜗杆的设计及校核 . 23 4.2.1 选择蜗杆的传动类型 23 4.2.2 选择蜗轮蜗杆的材料 24 4.2.3 确定主要参数 24 4.2.4 按齿面接触疲劳强度设计. 24 4.2.5 二级蜗杆蜗轮的主要参数的确定 . 26 4.2.6 校核齿根弯曲疲劳强度. 27 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） v 4.2.7 二级蜗轮的结构设计 28 4.3 齿轮轴与齿弧传动的设计与校核 28 4.3.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 . 28 4.3.2 按照齿面接触强度设计. 30 4.3.3 设计计算 31 4.3.4 按照齿根弯曲强度设计. 33 4.3.5 几何尺寸计算 34 第五章 轴的结构设计以及轴径计算 36 5.1 一级蜗轮蜗杆传动的结构设计 37 5.1.1 蜗杆的结构设计以及轴上零件的装配方案 . 37 5.1.2 估算蜗杆最小的直径 37 5.1.3 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 . 38 5.1.4 一级蜗杆强度的校核 39 5.2 二级蜗杆传动结构设计与校核 43 5.2.1 蜗杆的结构设计以及轴上零件的装配方案 . 43 5.2.2 估算蜗杆各段的直径 43 5.2.3 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 . 44 5.2.4 二级蜗杆强度的校核 45 5.3 齿轮轴传动结构设计与校核 . 49 5.3.1 轴的结构设计以及轴上零件的装配方案 . 49 5.3.2 估算轴最小的直径 50 5.3.3 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 . 50 5.3.4 传动轴强度的校核 51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） vi 第六章 键连接 56 6.1 轴连接的功能 . 56 6.2 键的主要类型 . 56 6.3 键的选择 . 56 6.4 键连接强度的校核 . 56 第七章 结束语 60 主要参考文献 61 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 1 第一章第一章 概述概述 1.1 前言前言 随着钢铁产品质量和成本的重视，对钢铁包、中间包、铁水包烘烤温度和能耗提出 了更高要求。一方面要求把钢包烘烤到较高温度且均匀，另一方面要求能耗低、坏境污 染少，甚至要求使用低热值燃料。 1.2 钢包烘烤的意义钢包烘烤的意义 钢包烘烤是炼钢生成工序中的主要环节之一。烘烤装置的性能对转炉出钢温度、炼 钢作业率、炉龄等都有很大的影响。钢包烘烤温度的高低对协调整个生产有重要作用， 对连铸生产的意义更加重大。 钢包是盛储钢水的容器，又是精练设备的组成部分。钢水在装入钢包后的传输和浇 铸过程中要损失大量热量， 因为钢水从完钢到浇注前都要在钢包中镇静 510min 才进行 浇注， 这期间钢水平均温降速度： 大于 250t 的钢包为 0.51.5/min， 100200t 的 1 2/min，30t 钢包为 22.5/min。热能损失其热量损失大致分为三部分：第一部分为 钢水上表面（钢包口）的辐射热损失；第二部分为钢包外壳表面的综合散热损失；第三 部分为钢包内衬的蓄热损失。其中以钢包内衬的蓄热损失为主。钢水在钢包中的热损失 比例大概是：包衬蓄热 4550%，包壁散热 20%，钢水上表面辐射 2030%，如果减少 钢包的热损失，钢水在钢包中的温降可以大大减低，有测定数据 指出：对于 90t 钢包， 包衬温度由 400提高到 1200，钢水总温降可以减少 25。钢包蓄热损失约占钢水 总热量损失的一半左右，如果不采用钢包烘烤方法补偿钢水的热能损失、保证钢水的浇 注温度，势必要提高钢水的出钢温度，但这会带来一系列的问题。首先，提高出钢温度 就要增加冶炼时间，增加原材料（耐火材料）和动力能源消耗，提高吨钢成本；其次， 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 使炉衬侵蚀速度加快，缩短熔炼炉的检修周期，降低炉龄，进而造成连铸生产的波动和 钢坯的质量缺陷。因此，钢包的烘烤对降低出钢温度，提高转炉的寿命，增加钢产量， 降低原材料消耗，降低吨钢成本，保证连铸的顺行都具有重要的意义。 1.3 钢包烘烤技术的发展过程钢包烘烤技术的发展过程 国内的钢包烘烤经历从仅用一支煤气管至使用普通烧嘴、高速烧嘴、热风烧嘴、自 身预热式烧嘴、蓄热式烧嘴的一系列发展过程。 5060 年代国内兴建的炼钢厂中，大多数都没有钢包烘烤设备或仅用一支煤气管插 入钢包内进行烘烤。由于钢包烘烤的温度低，要求出钢温度高，炉子的炉龄低，冶炼时 间长，限制了钢的产量，并使的成本增加。 “七五”期间，冶金部提出推广钢包烘烤的新装置、新技术，使我国钢包烘烤水平 提高许多，多数企业已经改变了过去只用燃气不配风的烘烤工艺，相应出现燃气、燃油 的钢包烘烤装置。其烧嘴型式有引射式烧嘴及套管式烧嘴，并在钢包上加上钢包盖，以 减少热量损失。由于烧嘴的的火焰动能较小，钢包的温度分布不均匀，烘烤时间长，燃 料消耗较大。 高速烧嘴是近代热工技术取得突破性进展的新技术之一。其特点是燃烧气体出口速 度可达 100300m/s。在加热五件时，不论在加热速度方面，还是在加热均匀性方面， 其加热效果大大的超过普通烧嘴。由于高速烧嘴出口速度高，烧嘴的耐火材料消耗大， 使用寿命低，一般炼钢厂钢包烘烤设备的现场环境比较恶劣，不适合安装精密的控制设 备。因此，研制出的用于钢包烘烤的简易高速烧嘴，基本上保持了高速烧嘴的气流速度 大，加热升温快，钢包温度分布均匀的特点。随后由开发出负富氧烧嘴、油气两用烧嘴， 以满足只有高炉煤气或转炉煤气，煤气热值低或煤气量不足的炼钢厂的需要。 为进一步降低能耗，用烟气对空气或煤气进行预热的钢包烘烤装置应运而生，其结 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 构型式有两种：一种是烧嘴与换热器分离式，另一种是自身预热式的烧嘴。由于对空气 或煤气进行预热，提高了火焰的理论燃烧温度，可降低燃料的消耗，并保持了高速烧嘴 的火焰动能大，加热均匀的特点。现在，蓄热式钢包烘烤器正越来越多的被采用。 为充分发挥钢包烘烤烧嘴的作用，对钢包盖的设计选材也不容忽视，还有新研制的 钢水包盖，内部采用陶瓷纤维毡，外面采用多晶莫来石作绝热层，降低了钢包盖的蓄热 量，减少了热量的损失，同时减轻了钢包盖的重量，延长了钢包盖的使用寿命。 1.4 钢包烘烤技术发展新趋势钢包烘烤技术发展新趋势 随着钢铁工业的快速发展， 人们对钢铁产品质量和生产成本越来越关注， 对钢包、 中间罐、铁水包等设备的优化予以了更多的关注，对其烘烤温度和能耗提出了更高的要 求。2002 召开了“全国炼钢、连铸生产技术会议“，与会的有关钢铁企业的代表对会议期 间介绍的“高效蓄热式烤包器的应用“技术产生了很大兴趣，使用此项技术的企业代表亦 对其节能环保、快速烘烤、优化包衬、长寿低耗的显著效果予以积极评价和充分肯定。 据介绍，目前，国内外钢铁企业普遍采用的钢包烘烤器主要为套筒式和金属自预热 式两种，其存在的主要问题是：能耗高、烘烤时间长、烘烤质量差、排烟温度高。对于 一般的烤包器而言， 其排烟热损失占燃料燃烧总热量的 50至 80， 所以提高烤包器热 效率的最佳途径就是最大限度地降低其排烟温度。20 世纪 80 年代初，英国率先开发了 新型蓄热式烧嘴，极大地提高了烟气废热的利用效率。进入 90 年代，日本开发了小型陶 瓷蜂窝状蓄热体并应用于燃烧器，成功地制造了更新型的蓄热式烤包器，将烟气余热的 回收推至极限，并同时实现了低 nox 物排放。20 世纪 90 年代中后期，日本和欧美逐渐 开始进行这一技术的实用化推广。实践证明，新型蓄热燃烧技术有着极为显著的优点 可喜的是，我国实现了高效蓄热燃烧技术与国际先进水平同步。特别是具有我国特 色和国际水平的高效蓄热燃烧技术，使此项先进技术在我国推广应用起来更为容易，成 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 本更低，效率更高。 据介绍，高效蓄热式烤包器系统由烧嘴系统、换向系统和控制系统组成，采用封闭 式烘烤方式。其烧嘴与蓄热体做成一体，成对布置在钢包盖上，并且蓄热体的高温段埋 藏于钢包盖内，以降低热损失，提高热效率。当两个烧嘴中一个处于燃烧状态时，另一 个烧嘴处于蓄热状态。高温烟气经处于蓄热状态的烧嘴喷口流过蓄热体，将蓄热体加热 后，以 100 至 150的温度经高温换向阀及排烟系统排入大气；而达到设定时间或设定 温度后，两组烧嘴交换其工作状态，助燃空气、煤气流过被加热的蓄热体，被蓄热体加 热至接近钢包燃烧产物温度后，经烧嘴喷口喷入包内，完成稳定、高效、节能燃烧，实 现对钢包的加热。高效蓄热式烤包器在具体应用中主要有以下优点： 一是大幅度节约燃料。钢包烘烤器都有很高的排烟温度，一般在 1000左右，余热 回收潜力巨大。一般采用蓄热燃烧技术后都可以获得大于 50的燃料节约率。 二是可以提高包温，优化冶炼生产。钢水在装入钢包后的传输和浇铸过程中要损失 大量热量，而其中以钢包内衬的蓄热损失为主。hrc 高效蓄热式烤包器可显著提高包衬 温度，减少钢水在钢包中的热损失和钢水总温降，从而可使转炉出钢温度降低，产量提 高，使电炉大幅降低电耗。同时，由于降低出钢温度，钢水可在低过热度下浇铸，实现 高拉速、减少漏钢事故、提高铸坯质量、消除中心缩孔、减轻中心偏析。 三是缩短烘烤时间，实现快速烤包。采用蓄热燃烧技术，提高了包内的平均火焰温 度，加大了热量传输率，加快了烤包速度。在线烘烤时，高炉煤气、助燃空气双预热， 钢包初始温度为 800时， 可在 10 分钟左右将其加热到 1000。 离线烘烤也可以大幅缩 短烤包时间，节约煤气量。 四是提高包衬寿命。由于采用蓄热燃烧技术提高了包内温度的均匀度，消除了局部 高温点，提高了烘烤质量，从而可使包衬的寿命提高 15，同时钢包耐火材料的消耗亦 可减少 15。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 五是降低有害气体的排放。由于蓄热式烘烤器消耗的煤气等燃料量为普通烤包器的 50左右，燃料消耗的减少即意味着烟气的发生量降低；同时由于助燃空气和燃料可以 相互独立地喷入包内， 燃烧通常发生在贫氧状态下， 从而大大降低了 nox 物和 co 等有害 气体的排放，可明显改善现场生产环境。 六是投资回报率高。经测算，一般采用高效蓄热燃烧技术改造的钢包烘烤器，均能 在半年内收回投资。 七是适用燃料范围广。高效蓄热式烤包器可以采用高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、 混合煤气、天然气、石油液化气、燃油等燃料，特别是对低发热值的高炉煤气和转炉煤 气的应用有很大的推广价值。 目前，国内一些钢铁企业在充分利用高炉煤气等资源上尚有许多工作要做。据近年 的统计，我国重点钢铁企业高炉煤气放散率接近 10，可折合 200 多万吨标准煤，价值 近 10 亿元。 采用高效蓄热燃烧技术， 为低热值的高炉煤气等资源的利用开辟了新的领域。 到现在，国内多家钢铁企业共采用了多台高效蓄热式烤包器，并取得了良好的效果。事 实说明，高效蓄热式钢包烘烤器达到了国内外先进水平。高效蓄热燃烧技术具有积极的 推广价值，市场前景看好。 1.5 几种钢包烘烤烧嘴的特点几种钢包烘烤烧嘴的特点 1.5.1 简易高速烧嘴简易高速烧嘴 简易高速烧嘴的燃烧气体出口速度达 100 m/s。钢包烘烤采用简易高速烧嘴，可强化 对流传热，促使钢包内气流循环，使钢包的温度均匀。为防治脱火，该烧嘴本身设有火 焰稳定装置。简易高速烧嘴可根据现场情况使用高炉煤气、发生炉煤气、转炉煤气、混 合煤气、焦炉煤气或天然气，助燃空气可由风机或压缩空气降压提供。对于低热值的高 炉煤气、发生炉煤气、转炉煤气可以采用富氧燃烧，以提高钢包的烘烤温度。简易高速 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 烧嘴也可以用液体燃料，如重柴油等。 1.5.2 油气两用烧嘴油气两用烧嘴 油气两用烧嘴适合于煤气不足或煤气热值低的炼钢厂，油气两用烧嘴可使用高炉煤 气、发生炉煤气或转炉煤气，燃油一般使用重柴油，用压缩空气或助燃空气雾化。 1.5.3 自身预热式钢包烘烤器自身预热式钢包烘烤器 自身预热烧嘴 自身预热烧嘴把烧嘴和预热器联合成一个整体，像普通烧嘴一样便于安装，结构紧 凑，对立式烘烤器和卧式烘烤器都适用。其特点： （1）烘烤速度快、温度高，一般来说钢包从 600 加热到 1100 只需 12-15 min； （2）烧嘴动能大、火焰长，火焰长度可达 3 m以上，火焰可达到包底再返回，使钢 包； 的上下温差缩小； （3）操作简单、易调节，其独特的控制系统很容易为现场操作所掌握，设备故障少； （4）包盖四周不冒火、烧嘴寿命长，由于采用微负压烘烤，所以钢包口周围无外逸 火焰，正常情况下，使用寿命可保一年以上； （5）包盖设计独特，具有重量轻、不易变形、寿命长等优点； 自身预热式烧嘴本体及烟道的外面各套一个逆流交换器，将烧嘴本身所需的助燃空 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 气预热，它的结构主要是利用几层同心套管将空气和烟气彼此分开，中间套管作为热交 换面。整个预热器全部用适当的耐火钢制成，燃烧产物从喷口的喷出速度为 80 m/s， 这种较高的出口速度促使炉气在钢包内循环，从而改善了传热过程，并具有较好的温度 均匀性。借助于排烟管内空气喷射的作用，将燃烧产物吸引通过预热器，炉内压力可以 通过改变喷射空气来进行调节。 1.5.4 蓄热式烧嘴蓄热式烧嘴 蓄热式烧嘴内部安放陶瓷蜂窝体，高温侧为莫来石。当燃烧处于燃烧状态时，用蜂 窝体预热空气及燃气；当烧嘴处于但燃烧状态时，利用高温烟气加热蜂窝体。通过四通 换向阀及煤气快速切断阀控制两套烧嘴交替燃烧及蓄热。其具有以下特点： （1）可以将助燃空气以及燃气预热至 1000 ，排烟温度低于 150 。这样钢包烘 烤可以用纯高炉煤气完成，节约高热值煤气。 （2）由于预热温度很高，可以节约燃料约 50。 （3）蓄热式烧嘴的火焰刚性好，火焰长度可调节至 4m，沿火焰长度上钢包内部温 度分布均匀，可以缩短烘烤时间，节约耐火材料 10。 （4）采用陶瓷蜂窝体作为蓄热体。由于陶瓷蜂窝体的比表面积大，缩小了蓄热体的 体积。可以将蓄热室与烧嘴作成整体直接安装在钢包盖上，操作非常方便。 （5）蓄热式烧嘴系统的关键部件换向阀，采用四通换向阀，具有体积小、密封好、 动作时间短、使用寿命长等优点。 （6）升温速度快。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 第二章第二章 燃料及燃烧燃料及燃烧 冶金工业炉以及炉窑所用的气体燃料主要是高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气和天 然气等。 在各种燃料中，气体燃料的燃烧过程最容易控制，也最容易实现自动调节。此外气 体燃料可以进行高温预热，因此可以用低热值的燃料来获得较高的燃烧温度并有利于节 约燃料，降低消耗。 由于以上特点，气体燃料在冶金企业的燃料平衡中一直占有重要地位。对于某些工 艺要求比较严格的加热炉和热处理炉 （尤其是低温热处理炉） ， 为了便于控制炉温和炉气 的化学成分，以保证产品的表面质量，除了电能之外，气体燃料是最理想的了。 2.1 高炉煤气高炉煤气 高炉煤气是高炉炼铁过程中所得到的一种副产品，其主要成分是 co。高炉煤气的 化学成分组成情况及其热工特性与高炉燃料的种类、所炼生铁的品种以及高炉冶炼工艺 特点等因素有关。 高炉煤气的因含有大量的 2 n 和 2 co (占有 63- 70%)，所以它的发热量不大，只有 3762- 4180 3 kj/m 。当冶炼特殊生铁时，高炉煤气的发热量比冶炼普通炼钢生铁时高 418- 630 3 kj/m 。 高炉煤气的理论燃烧温度为 1400- 1500，在许多情况下，必须把煤气和空气预热 来提高它的燃烧温度，才能满足用户的要求。 高炉煤气从高炉出来时含有大量的粉尘， 为 60-80 3 g/m 或更多， 必须经过除尘处理， 将煤气的含尘量降到下列标准，才能符合使用要求： 蒸汽锅炉 0.5 3 g/m 平炉，热分炉 20-50 3 mg/m 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 焦炉 10 3 mg/m 高炉是冶金生产中燃料的巨大。高炉的燃料的热量约有 60%转移到高炉煤气中，据 统计，高炉每消耗 1 吨焦炭可产生 38004000 3 m 高炉煤气。由此可见，充分有效地将 高炉煤气加以利用，对降低吨钢能耗有重大意义。在冶金生产中，高炉煤气主要用于焦 炉，在冶金联合企业中，与焦炉煤气混合后也可用于平炉。 由于高炉煤气中含有大量 co，在使用中应特别注意防止煤气中毒事故。根据有关资 料介绍，大气一氧化碳的浓度如超过 16 ppm既有中毒危险。 2.2 焦炉煤气焦炉煤气 焦炉煤气是炼焦生产的副产品。 1 吨煤在炼焦过程中可以得到 730780 kg焦炭和 300350 3 m 的焦化煤气，以及 2545 kg焦油。 由焦炉出来的煤气因含有焦油蒸汽，所以称荒焦炉煤气。1 3 m 荒焦炉煤气通常含有 300500 g水和 100125 g焦油，以及其他可作为化工原料的气态化合物。为了回收 焦油和各种化工原料气，必须将荒焦炉煤气进行加工处理，使其中的焦油蒸汽和水蒸气 冷凝下来，并将有关的化工原料收回，然后才送入煤气管网作为燃料使用。 焦炉煤气的可燃成分主要是 2 h 、 4 ch 、co。 焦炉煤气中的惰性气体含量很少， 2 n 和 2 co 共 816%，因此焦炉煤气的发热量很 高，为 1589017140 3 kj/m ，是冶金联合企业重要的燃料来源之一，一般多与高炉煤 气或发生炉煤气配成发热量为 8360 3 kj/m 左右的混合煤气用于平炉和加热炉。焦炉煤 气成分如下表 2.1 所示。 表 2.1. 2 h 4 ch mn c h co 2 co 2 n 2 o 5560 2428 24 68 24 47 0.40.8 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 2.3 空气需要量空气需要量 燃料燃烧所需要的空气（氧气）数量，是根据燃烧反应的物质平衡计算的，这些参 数有实际用处。例如，为了正确地设计炉子的燃烧装置和股风系统，必须知道为保证一 定热负荷（燃料消耗量）所应供给的空气量。 2.3.1 气体燃料的理论空气需要量气体燃料的理论空气需要量 已知燃料成分（体积百分数）为 24mn2 co%+h %+ch %+c h %+h s% 2222 +co %+o %+n %+h o%=100% 其中各可燃成分的化学反应式为 22 1 co+o =co 2 222 1 h +o =h 2 mn222 mm c h + n+o =nco +h o 42 2222 3 h s+o =h o+so 2 因各气体的公斤分子体积均相等 （22.4 3 m ） ， 故知 1 3 m co 燃烧需要 1/2 3 m ； 以此类推。 故 1 3 m 煤气完全燃烧的理论耗氧量为 () 2 233 0,o2mn22 113 lcohc hh so10m /m 2242 m n =+ 将上式乘以 1 (4.76) 0.21 =，则得到 1 3 m 煤气燃烧的理论空气需要量 0 l () 233 02mn22 11m3 l4.76cohnc hh so10m /m 2242 =+ 2.3.2 空气需要量的计算空气需要量的计算 假设某厂使用高炉煤气和焦炉煤气的混合煤气，两种煤气按照 3：7 混合。煤气温 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 度为 28，又化验室分析的煤气成分如下表 2.2 所示。 表 2.2. 2 co 24 c h 2 o 2 h 4 ch co 2 n 焦炉煤气 高炉煤气 3.1 13.9 2.9 0.4 0.3 57.9 3.0 25.4 0.6 9.0 26.2 1.3 56.0 2.3.2.1 吸收水分重量吸收水分重量 查燃料及燃烧附表查燃料及燃烧附表 5 得得 1 3 m 干煤气吸收水分重量干煤气吸收水分重量 g31.1=kg/m 3 把干成分换算成湿成分 2 02mn22 113 l4.76cohc hh so10 2242 m n =+ 2 20.2518.75 4.762 7.743 0.840.3010 22 =+ + () 33 1.77 m /m= () 33 n0 lnl1.05 1.771.86 m /m= 其余以此类推。 2.3.2.2 计算发热量计算发热量 焦炉煤气 3 q126.4 8.66 108 55.75358 24.45591 2.7917518 kj/m=+= 低 （） 高炉煤气 3 q126.4 25.22 108 2.89358 0.593711 kj/m=+= 低 （） 2.3.2.3 每小时应供空气量的计算每小时应供空气量的计算 假设该炉子的热负荷为 6980 kw。 （1）每小时应供给炉子的煤气量： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 3 6980 3600 b3200(m /h) 7875 = （2）该煤气燃烧的理论空气需要量： 2 02mn22 113 l4.76cohc hh so10 2242 m n =+ () 2 33 20.2518.75 4.762 7.743 0.840.3010 22 1.77 m /m =+ + = （3）实际空气消耗量 假设 n=1.05， 则： () 33 n0 lnl1.05 1.771.86 m /m= 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 第三章第三章 钢包烘烤装置传动方案钢包烘烤装置传动方案 3.1 装置装置介绍介绍 该装置是一个钢包烘烤装置。采用手动驱动，且其倾动速度不大，钢包盖的重量较 重。要求自锁，不得反传动。 3.2 方案方案介绍介绍 根据要求，了解到其传动方案与火炮的高低机的传动方案相类似，火炮的高低机的 结构形式有螺杆式和齿弧式，他们的共同点是一端为原动机（由人工操作手轮） ，另一端 是起落部分，为防止产生反传动，传动链中一般都设有能自锁的环节。火炮高低机传动 方案有以下两种： （1） 螺杆式高低机结构简单，本身可以自锁是其优点。但传速比不是常数，角度 也不能太大，实现机械动力操作困难。一般适用于轻型装置。 当转动手轮时，通过直齿轮，锥齿轮带动螺母转动，使得螺杆相对螺母作上、下直 线运动、推、拉起落部分而赋予高低射角。为了提高螺杆式高低机的传动效率和扩大高 低射角，又将螺杆改为滚珠丝杠高低机。这种结构的传动效率高，有可能增大射角，但 不能自锁，使用时必须在传动链中另加自锁结构。螺杆式高低机结构如图 3.1 所示。 齿弧式高低机是一种应用最广的型式， 其射角不受限制可以用人力操作或机械操作， 也可以两者兼备，由此它能适用于多种装置。一般高低齿弧安装在摇架上，其余备件均 安装在上架上。转动手轮，通过锥齿轮、蜗轮蜗杆副在转动连中除调整传动比外，同时 起防止反传动的自锁作用。锥齿轮的作用是使手轮变换方向，使之处于较合适的操作位 置。必要时亦可取不同的齿数，使之起到调整传动比的作用。如下图所示齿弧式高低机 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 图 3.1 螺杆式高低机结构 图 3.2 齿弧式高低机 3.3 最佳方案确定最佳方案确定 以上是两种传动方案，一种是螺杆式高低机结构；另一种是齿弧式高低机结构。根 据两种传动方案特点，又考虑到现场工作环境。优先选择齿弧式高低机结构。 该装置采用手动驱动，人力是有一定的限度，手轮力不能太大，又考虑到传动比比 较大。而锥齿轮的传动比范围是 110；蜗杆蜗轮传动的传动比为 580；直齿轮传动比 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 15 一般很小约为 15。在满足转矩的要求，为了比较轻松的能将包盖掀起，将齿弧式高低 机结构中的锥齿轮结构也改为蜗杆蜗轮传动。这样可以增大该传动装置的传动比。 传动过程：人摇动手轮，同时带动一级蜗杆蜗轮传动，然后又带动二级蜗杆蜗轮传 动，最后通过轴齿轮与齿弧的传动，使得钢包盖掀起。 3.4 手轮参数的确定手轮参数的确定 关于手轮力的确定， 一般所说的是手轮力是其在等速时期的手轮力。 现有参考文献 4 gjb703- 891 中规定了手轮的参数，在此取。 手轮力的大小 ： f150n= 手轮的半径 ： r = 25 cm 手轮的转速 ： n = 35 r/min 所以,输入的转矩 ： t =f r=150n 0.25m=37.5n m 入 3.5 传动比的确定以及分配传动比的确定以及分配 3.5.1 总总传动传动比比的的确定确定 已知包盖重量约为 2000 kg，其中心到转轴的距离约为 4 : 5 m. 所以输出的转矩为 t =2000 kg 10 n/kg4 m=80000 n m 出 所以其传动比约为： , t80000 i=2133.5 t37.5 = 出 总 入 考虑各个传动级的效率： 1 0.70 = 2 0.75 = 3 0.95 = 取 i4800= 总 3.5.2 传动传动比比的分的分配配 (1) 蜗轮蜗杆的传动比 在蜗轮蜗杆传动中，在单头蜗杆(相当于单线螺纹)时，蜗杆每旋转一周，蜗轮只 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 16 转过一个齿距,因而能实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比 i=5- 80；在分度 机构或手动机构的传动中，传动比可达 300；若只传递运动，传动比可达 1000。由于 传动比大，零件数目又少,因而结构很紧凑.优先取用基本传动比： 一级蜗轮蜗杆的传动比取为 130i = 二级蜗轮蜗杆的传动比取为 240i = (2) 齿弧与轴齿轮的传动比 3 1 2 4800 4 30 40 i i ii = 总 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 17 第四章第四章 齿轮传动的设计及校核齿轮传动的设计及校核 齿轮的传动的主要优点是：传动效率高，工作可靠，寿命长，传动比准确，结构紧 凑；适用的速度和传递的功率广；可实现平行轴相交轴和交错轴之间的传动。主要缺点 是：制造精度要求高，故成本也高；精度低时噪声大；不宜用于轴间距离大的传动。 对齿轮的要求一般是强度和平稳度的要求。所以齿轮的主要失效形式是轮齿折断， 齿面点蚀，齿面磨损，齿面胶合，齿面塑性变形。 针对上述各种失效形式，为了保证齿轮传动满足工作要求，必须建立相应的计算准 则。但是对于磨料磨损，塑性变形，目前尚无成熟的计算方法。因此在工程实际中通常 只进行齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度计算。 对于闭式齿轮传动，当一对齿轮中有一个或同时为软齿面时，齿轮的主要损伤形式 是齿面疲劳点蚀，也可发生轮齿折断及其他失效形式，故应按接触疲劳强度的设计公式 确定主要参数，然后校核弯曲疲劳强度。若一对齿面均为硬齿面。齿轮的主要失效形式 可能是轮齿折断，也可能发生点蚀，胶合等失效。则应按弯曲疲劳强度的设计公式确定 模数，然后校核接触强度。对于开式齿轮传动，其主要失效形式是齿面磨损，但往往因 轮齿磨薄后发生折断，故按轮齿齿根弯曲强度设计，但适当的降低许用应力以考虑磨损 的影响。 由于硬齿面齿轮与软齿面齿轮比较，无论是从节约材料，减小体积及综合经济效益 考虑，均有优点，故软齿面齿轮在许多行业逐渐被硬齿面或中硬齿面齿轮所取代。 4.1 一一级蜗轮蜗杆级蜗轮蜗杆的的设设计及计及校核校核 和齿轮传动一样，蜗杆传动的失效形式也有点蚀(齿面接触疲劳破坏)，齿根折断， 齿面胶合及过度磨损等。由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度总是高于蜗 轮轮齿的强度，所以失效经常发生在蜗轮轮齿上。因此，一般只对蜗轮轮齿进行承载能 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 18 力计算。由于蜗杆与蜗轮齿面间有较大的相对滑动，从而增加了产生胶合和磨损失效的 可能性，尤其在某些条件下(如润滑不良)，蜗杆传动因齿面胶合而失效的可能性更大。 因此，蜗杆传动的承载能力往往受到抗胶合能力的限制。 在开式传动中多发生齿面磨损和轮齿折断，因此应以保证齿根弯曲疲劳强度作为开 式传动的设计准则。 在闭式传动中，蜗杆副多因齿面胶合或点蚀失效。因此，通常是按齿面接触疲劳强 度进行设计，而按照齿根弯曲疲劳强度进行校核。 4.1.1 选择蜗杆的传动类型选择蜗杆的传动类型 根据不同的齿廓曲线，普通圆柱蜗杆分为阿基米德蜗杆(za 蜗杆)，渐开线蜗杆(zi 蜗杆)，法向直廓蜗杆(zn 蜗杆)和锥面包络蜗杆(zk)等四种。gb/t 10085- 1988 推荐采用 zi 蜗杆和 zk 蜗杆两种.在此设计中采用渐开线蜗杆(zi)。 4.1.2 选择蜗轮蜗杆的材料选择蜗轮蜗杆的材料 蜗杆的材料一般是用碳钢或合金钢制成。高速重载蜗杆常采用 15cr 或 20cr，并经 渗碳淬火；也可以用 40、45 钢或 40cr 并经淬火。这样可以提高表面硬度、增加耐磨性。 通常要求蜗杆淬火后的硬度为 40- 55hrc，经氮化处理后的硬度为 55- 62 hrc。一般不 太重要的低速中载的蜗杆， 可采用 40 或 45 号钢， 并经调质处理， 其硬度为 220- 300 hbs。 常用的蜗轮材料为铸锡磷青铜(zcusn10p1, zcusn5pb5zn5)，铸造铝铁青铜 (zal10fe3)及灰铸铁(ht150、ht200)等。 考虑蜗杆传动的功率不大，其转速也不大。所以蜗杆的材料采用 45 钢，表面高频淬 火，硬度为 45- 55 hrc。蜗轮的材料采用铸锡磷青铜(zcusn10p1)，金属模铸造。 4.1.3 确定主要参数确定主要参数 蜗杆头数 z1 一般为 1- 4，传动比大时，可取 1 z =1。但效率低传动比不大和要求效 率高时，可取 1 z =2- 4。蜗轮齿数 2 z ，对于普通圆柱蜗杆传动一般取 2 z =27- 80。 对于小 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 19 功率传动，常取 2 z =30- 50。若功率大于 20 千瓦。多取 2 z =50- 70。 当 2 z 22( 1 z =1) 或 2 z 26( 1 z 1)时，将产生根切现象，当 2 z 80 时，会导致模数过小或蜗杆刚度降低。 综合考虑： 取 1 z =2 则 211 z =zi =2 30=60 4.1.4 按齿面接触疲劳强度设计按齿面接触疲劳强度设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳 强度。 由式： 2 3 e h z z akt = 式中： e z 材料的弹性影响系数 z蜗杆传动接触线长度和曲率半径， 对接触强度的影响系 数，简称接触系数。 k载荷系数 （1） 确定作用在蜗轮上的转矩 111 tti= 入 37.5 0.70 30= 787.5n m= 787500n mm= （2） 确定载荷系数 分析工作情况，因工作稳定，故取载荷系数 1k= 由于转速不大，冲击很小，取动载系数 1.05 v k = 查参考文献1表 15- 5 如下表 4.1 所示，取使用系数 1.15 a k = 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 20 表 4.1. 工作类型 载荷性质 均匀、无冲击 不均匀、小冲击 不均匀、大冲击 每小时启动次数 50 启动载荷 小 较大 大 a k 1 1.15 1.2 则：1.15 1 1.051.21 av kk k k = （3） 确定弹性影响系数 因为选用的是铸锡磷青铜(zcusn10p1)与 45 号钢的蜗杆相配合使用时，其弹性系 数取 1 2 160 ea zmp= （4） 确定接触系数z 先假定蜗杆分度圆直径 1 d 与传动中心距的比值 1 0.25 d a =，查参考文献1图 11 18 中，可查得 z =3.4 （5） 确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜(zcusn10p1)，金属模铸造。蜗杆螺旋齿面强度大于 45 hrc，可从参考文献1表 117 中如下表 4.2 所示，可查得基本许用应力 268 ha mp=。 表 4.2. 蜗轮材料 铸造方法 蜗杆螺旋的硬度 45 hrc 45 hrc 铸锡磷青铜 (zcusn10p1) 砂模铸造 150 180 金属模铸造 220 268 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 21 铸锡锌铅青铜 (zcusn5pb5zn5) 砂模铸造 113 135 金属模铸造 128 140 （6） 计算中心距 2 3 e h z z akt = 2 3 160 3.4 1.21 787500 268 = 157.757mm= 可从参考文献2表 1449 中，查得可取中心距 , 180a =mm，因为 30i =， 取 5m =，蜗杆分度圆的直径 1 50d =mm。这时 1 50 0.278 180 d a = ，可从参考文献1图 1118 中，可查得接触系数 3.23z =，因为 zz1)时，将产生根切现象，当 4 z 80 时，会导致模数过小或蜗杆刚度降低。 综合考虑： 取 3 z2= 则 432 z =zi =2 40=80 4.2.4 按齿面接触疲劳强度设计按齿面接触疲劳强度设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳 强度。 由式： 2 3 e h z z akt = 式中： e z 材料的弹性影响系数 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 25 z蜗杆传动接触线长度和曲率半径， 对接触强度的影响系数， 简 称接触系数。 k载荷系数 （1） 确定作用在蜗轮上的转矩 21122 ttii= 入 37.5 0.70 30 0.75 40= 23625n m= = 3 23625 10 n mm （2） 确定载荷系数 分析工作情况，因工作稳定，故取载荷系数 1k= 查参考文献1表 11- 5 取 1.15 a k = 由于转速不大，冲击很小，取动载系数 1.05 v k = 则：1.15 1 1.051.21 av kk k k = （3） 确定弹性影响系数 因为选用的是铸锡磷青铜(zcusn10p1)与 45 号钢的蜗杆相配合使用时， 其弹性系数 取 1 2 160 ea zmp= （4） 确定接触系数z 先假定蜗杆分度圆直径 3 d 与传动中心距的比值 3 0.35 d a =，从参考文献1图 1118 中，可查得=2.9z （5） 确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜(zcusn10p1)，金属模铸造。蜗杆螺旋齿面强度 45hrc，可从参考文献1表 117 中，可查得基本许用应力268 ha mp=。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 26 （6） 计算中心距 2 3 e h z z akt = 2 3 3 160 2.9 1.21 23625 10 268 = 440.867mm= 可从参考文献2表 1449 中，查得可取中心距 , 500amm=因为 40i =，取 10m =，蜗杆分度圆的直径 3 200dmm=。这时 3 200 0.4 500 d a =，可从参考文献1图 11 18 中，可查得接触系数 2.76z = ，因为 zz，因此以上数据结果可用。 4.2.5 二二级蜗杆蜗轮级蜗杆蜗轮的的主主要要参数参数的的确定确定 标准值：齿顶系数 1 a h = ，压力角 20 = o ，齿根系数 1.2 f h =。 （1） 蜗杆的主要参数 轴向齿距： 3.14 1031.4 a pm=mm 分度圆的直径 3 200dmm= 直径系数： 3 200 20 10 d q m = 齿顶圆直径: 33 22002 1 10220 aa ddh mmm =+=+ = 齿根圆直径: 331 22002 1.2 10176 ff ddh mmm= = 导程角： 3 2 arctanarctan5 42 20 z q = o 轴向齿厚： 11 3.14 1015.7 22 a smmm= （2） 蜗轮的主要参数 齿数： 432 2 4080zzi= 分度圆直径： 34 10 80800 dmzmm= 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 27 轮喉圆直径： 444 28002 10820 aa ddh mmm=+ =+ = 齿根圆直径: 444 28002 1.2 8776 ff ddh mmm= = 咽喉圆半径： 44 1 2 ga ad= 344 11 () 22 a ddd=+ 11 (200800)820 22 =+ 90mm= 4.2.6 校核齿根弯曲疲劳强度校核齿根弯曲疲劳强度 2 2 12 1.53 ffaf kt yy d d m = 式中： f 蜗轮齿根弯曲应力， a mp 2fa y蜗轮齿形系数，可由蜗轮的当量齿数 4 4 3 cos v z z =及蜗轮的 变为系数 2 x ,从参考文献1图 11-19 中查得。 f 蜗轮的许用弯曲应力，单位为 a mp 。 其余符号的意义和单位同前。 （1） 当量齿数: 4 4 3 80 81.218 cos0.985 v z z = （2） 蜗轮齿形系数的确定: 根据： 4 81.218 v z=。查参考文献1图 11- 19 得 2