机械毕业设计（论文）-210吨转炉倾动装置设计设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） i 摘要摘要 转炉倾动机构是转炉炼钢中的关键部分，它处于高温多尘环境工作，倾动力矩大、 速比高、启动和制动频繁、承受较大的动载荷。因此对于转炉倾动机构的研究和设计 是十分必要的，它不仅关系到兑铁水、加废钢、取样、测绘、出钢、倒渣、喷补炉等 工艺操作顺利进行，而且关系到产品安全和人生安全等重大问题。 本设计说明书以包钢炼钢厂 210 吨转炉全悬挂倾动装置为借鉴，以倾动角度连续回 转 360、倾动速度范围从 0.2r/min 到 1.5r/min 进行的设计、转炉可连续工作并可根 据工艺要求实现任意位置的点动进行设计。主要内容包括：转炉倾动力矩的计算过程 （本次设计采用计算机程序设计） ；倾动机械及其传动件的设计（包括传动方案的选择、 根据倾动力矩进行电动机的选择和校核、减速器的设计、主要零部件的强度校核） ；抗 扭缓冲装置的设计。 关键词关键词：转炉，倾动机构，传动方案。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ii abstract converter tilting mechanism bof is a key part of it at high temperature and dust environment,dumping moment,high-speed ratio,activation and brake frequently to take greater dynamic load.because converter tilting the research and design is necessary,not only against the hot metal to increase scrap,sampling,steel,reversing slag,gunning process heaters operating smoothly,but is also related to product safety and life safety and other major issues. the design of brochures to 210 tons of baotou steel steelworks all flags converter tilting device for the reference,tilting to continuous rotary angle of 360.tilting speed range from 0.2 to 1.5r/min.1.5r/min the design,converter may be under continuous working process requirements to achieve arbitrary move the location of the design.main contents include:moment converter dumping calculations (this design using computer programming);tilting pieces of machinery and drive the design (including the choice of driving programs,according to the dumping moment of choice for motor and verification,reducer design,the main components of strength check);torsional buffer design. keywords：converter, tilting institutions, transmission。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） iii 目录目录 摘要.i abstract.ii 目录.iii 第一章 引言.1 1.1 氧气转炉炼钢法简介.1 1.1.1 氧气顶吹转炉炼钢法.1 1.1.2 氧气底吹转炉炼钢法.1 1.1.3 氧气“顶、底”复合吹练法（ld-ob 法）2 1.1.4 氧气侧吹转炉炼钢法.2 1.2 氧气顶吹转炉车间设备简介3 1.2.1 转炉主体设备.3 1.2.2 供氧系统设备.3 1.2.3 铁水供应系统.3 1.2.4 散状原料供应系统设备.3 1.2.5 废钢供应设备.3 1.2.6 铁合金供应设备.4 1.2.7 出渣、出钢和铸锭系统设备.4 1.2.8 修炉机械设备.4 1.2.9 烟气净化和回收设备.4 1.3 本文研究内容4 2.1.1 设计题目.5 2.1.2 技术参数及性能.5 2.2 氧气顶吹转炉倾动设计原则分析5 2.3 倾动机械的几种基本机构和配置形式5 2.3.1 落地式配置倾动机械.6 2.3.2 半悬挂式配置倾动机械.6 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） iv 2.3.3 全悬挂式配置倾动机械.6 2.4 倾动机械的优缺点比较7 2.5 转炉倾动机构的结构设计8 2.6 确定方案8 第三章 倾动力矩的计算和最佳耳轴位置的确定.8 3.1 转炉炉壳质量及重心位置的计算9 3.1.1 建立空炉模型.9 3.1.2 炉壳重量与重心的计算.10 3.2 转炉炉衬质量及重心位置的计算12 3.2.1 建立空炉炉衬模型.12 3.2.2 炉衬重量与重心的计算.13 3.3 空炉质量及重心位置的计算16 3.4 转炉摩擦力矩的计算17 4.1 初选电动机18 4.1.1 初步确定电动机的功率.18 4.1.2 电动机的选择.19 4.1.3 过载校核.20 4.2 传动比分配20 4.2.1 分配传动比的一般原则.21 4.2.2 分配传动比.21 4.3 选择减速器的传动方案21 4.3.1 减速器传动方案的比较.21 4.3.2 选择减速器的传动方案.23 4.4 各级传动齿轮的计算24 4.4.1 高速级斜齿圆柱齿轮的基本参数确定.24 4.4.2 中高速级斜齿圆柱齿轮的基本参数确定.28 4.4.3 中速级斜齿圆柱齿轮的基本参数确定.32 4.4.4 低速级斜齿圆柱齿轮的基本参数确定.36 4.4.5 二次减速机斜齿圆柱齿轮的基本参数确定.40 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） v 4.5 各轴的设计和校核44 4.5.1 高速轴的设计与校核.44 4.5.2 中高速轴的设计与校核.47 4.5.3 中速轴的设计与校核.51 4.5.4 中低速轴的设计与校核.55 4.5.5 低速轴的设计与校核.59 4.6 箱体壁厚尺寸计算63 第五章扭力杆装置的设计.64 5.1 材料的选择64 5.2 结构设计计算64 5.3 间隙值的设计与计算65 结论.66 参考文献.67 附录 a68 附录 b75 致谢.76 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 引言引言 1.11.1 氧气转炉炼钢法简介氧气转炉炼钢法简介 氧气转炉炼钢是近三十年发展起来的新的炼钢方法。根据氧气吹入转炉的方式，可 分为顶吹、底吹、顶低复合吹等几种方法。 1.1.11.1.1 氧气顶吹转炉炼钢法氧气顶吹转炉炼钢法 氧气顶吹转炉炼钢法是 1949 年 6 月由奥地利的 voest-alpine 联合公司实验成功的， 并在 1952 年和 1953 年先后在其所属的林次（linz）和多纳维次(donawitz)两钢厂投 入生产。 氧气顶吹转炉炼钢法是通过双层水冷吹氧管自炉口处向炉内金属熔池吹入氧气进行 冶炼。生产实践证明，这种炼钢法具有显著的优越性： 1）冶炼时间短，生产率高。 2）投资少、成本低、建设速度快。 但这种炼钢法具有一定的缺点： 3）冶炼高磷生铁有一定的困难。 4）氧气从上部吹入对熔池的搅拌能力不够强烈，使钢、渣不能充分混合。 5）不能大量采用低廉的废钢作原料。 6）吹氧设备和除尘系统需要较高的厂房。 1.1.21.1.2 氧气底吹转炉炼钢法氧气底吹转炉炼钢法 1968 年联邦德国马克西米利安冶金厂（maxillan shutte of sulzbach-rosenberg） ， 通过他们对托马斯转炉的改造，安装和运转了第一座商业用氧气底吹转炉。 氧气底吹转炉炼钢法的新特性是它拥有双层管状喷嘴。这种喷嘴可通过气体或液态 碳氢化合物冷却作保护。当气体或碳氢化合物被吹入两管所形成的间隙时，分解作用 使其吸收大量的热从而对喷嘴进行冷却，适当的降低温度可以减少对炉底和喷嘴的化 学侵蚀和磨损。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 它的优点是： 1）投资成本低，特别适合新建工厂中投产或由平炉进行改造，因为其可以避免在 高处安装氧枪所造成的昂贵成本。 2）吹氧时间短、吹炼平稳、喷溅少、烟尘少、金属收得率高、生产率较高并且节 省设备成本。 一些早期的支持者们甚至声称由于这种炼钢法的应用使得氧气供过于求。事实上， 氧气底吹转炉炼钢只产生少量的烟尘。缺点是炉底和喷嘴寿命难以解决。 1.1.31.1.3 氧气氧气“顶、底顶、底”复合吹练法（复合吹练法（ld-obld-ob 法）法） 日本新日铁 1978 年首先在八幡厂 60 吨转炉上实验成功顶吹和底吹复合吹练的新技 术，称为“ld-ob 法” ，ld-ob 法是顶吹氧气转炉采用在炉底辅助吹入搅拌气体的方法， 使顶吹和底吹炼钢可以相互取长补短，提高了熔池搅拌能力，克服了底吹化渣、去磷 的困难。 此法的优点是： 1) 提高金属收得率，降低氧、铁合金消耗，降低钢成本。 2) 炉子可控性提高。 3) 可生产特低碳的钢种（0.010.003%c） ，可是钢中含氮量仍维持在 10ppm 左右。 4) 提高去磷能力。 5)可以充分发挥炉气进化系统的能力。 1.1.41.1.4 氧气侧吹转炉炼钢法氧气侧吹转炉炼钢法 氧气侧吹转炉炼钢法是我国在侧吹空气转炉炼钢法的基础上研制成功的新的氧气炼 钢法。它的特定也是采用燃料油作为保护的双层喷枪代替空气侧吹转炉的风眼，利用 喷枪向熔池内吹氧炼钢。 氧气侧吹转炉炼钢法的优点： 1）氧气侧吹转炉吹炼过程平稳、喷溅少、烟尘少、热效率高。 2）对原料的适应性强，设备简单，投资少。 从以上分析可以看出几种炼钢方法各有优缺点。从目前来看，氧气顶吹转炉炼钢方 法占主导地位，其中工艺和设备发展较为成熟。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 1.21.2 氧气顶吹转炉车间设备简介氧气顶吹转炉车间设备简介 现代氧气顶吹转炉车间设备是以转炉设备为主体，同时配备供氧、供料、出钢、 出渣、注锭、烟气处理及修炉等操作系统，而各操作系统之间是通过各种运输和起重 设备联系起来的。 1.2.11.2.1 转炉主体设备转炉主体设备 转炉主体设备是实现炼钢工艺操作的主要设备，它由炉体、炉体支撑装置和炉体 倾动机构组成。 1.2.21.2.2 供氧系统设备供氧系统设备 供氧系统由输氧管道、阀门和向转炉吹氧的装置等设备组成。氧气顶吹转炉炼钢 时，用氧量大，要求供氧及时、氧压稳定，安全可靠。 1.2.31.2.3 铁水供应系统铁水供应系统 铁水是氧气顶吹转炉炼钢的主要原料，练一吨钢就需要一吨左右的铁水。为确保 转炉正常生产，铁水供应要充足、及时，成分均匀、温度稳定，称量准确。铁水供应 设备又铁水储存、铁水预处理、运输及称量等设备组成。铁水储存设备主要有混铁炉 和混铁车。 1.2.41.2.4 散状原料供应系统设备散状原料供应系统设备 转炉生产对散状供应设备要求及时运输、快速加料、称量准确、运转可靠、维修 方便、能改善劳动条件。整个系统包括将散状料由地下仓运至高位料仓的上料机械设 备和将散状料自高位料仓加入转炉内的加料设备。 1.2.51.2.5 废钢供应设备废钢供应设备 废钢由电磁起重机在原料厂装入废钢料箱，再由机车或起重机械运至转炉平台， 然后由炉前起重机械或废纲加料机加入转炉。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 1.2.61.2.6 铁合金供应设备铁合金供应设备 铁合金运用于钢水的脱氧和合金化。转炉侧面的平台设有铁合金料仓、铁合金烘 烤炉和称量装置。出钢时把铁合金从料仓或烘烤炉卸出，称量后运至炉后通过溜槽加 入盛钢筒中。 1.2.71.2.7 出渣、出钢和铸锭系统设备出渣、出钢和铸锭系统设备 转炉下有电动盛钢筒和渣车等设备。转炉里钢水倒入盛钢筒，并由盛纲筒运至铸 锭车间进行浇注，渣则由渣罐车运至附近渣厂进行处理。铸锭系统包括（铸锭起重机、 浇注平台、盛钢筒修理设备和脱模、整模设备）和连铸设备。 1.2.81.2.8 修炉机械设备修炉机械设备 当转炉炉衬被侵蚀比较严重而无法修补时，就必须停止吹炼，进行拆炉和修炉。 修炉机械设备包括补炉机、拆炉机和修炉机等。 1.2.91.2.9 烟气净化和回收设备烟气净化和回收设备 由于氧气顶吹转炉炼钢过程中产生大量的棕色高温的烟气（含有大量的 co 和铁粉， 它们是一种很好的气体燃料和化工原料） ，因此必须对转炉排出的烟气进行净化和回收。 烟气净化设备包括：活动烟罩、固定烟道、溢流文氏管口、调喉口文氏管、弯头脱水 器和抽风机等。 1.31.3 本文研究内容本文研究内容 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1）在计算机分析转炉倾动过程中倾动力矩的基础上，确定倾动载荷最佳耳轴位置 （采用 ansys 软件来计算转炉倾动过程中钢水的重心坐标，从而计算转炉的力矩） 。 2）进行电动机的选择和校核，以及一次减速机、二次减速机的设计（包括对相关 零件的设计和校核）并且研究传动中传动比的优化分配。 3）扭力杆装置的设计。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 第二章第二章 初步确定设计方案初步确定设计方案 2.12.1 初始条件初始条件 2.1.12.1.1 设计题目设计题目 210 吨转炉倾动装置设计 2.1.22.1.2 技术参数及性能技术参数及性能 机构形式为：托圈支撑； 驱动形式为：全悬挂一端四点驱动； 工程容量：210 吨； 转炉连续回转：360； 回转速度：0.21.5r/min； 速度可调，在转炉回转任意角度都可以停止并定位； 2.22.2 氧气顶吹转炉倾动设计原则分析氧气顶吹转炉倾动设计原则分析 转炉倾动机构的设计原则分析： 1) 应满足转炉工艺操作的要求。例如能使炉体连续正反转 360，并能平稳而准 确地停止在任意角度的位置上。 2)倾动机构安全可靠，不应发生齿轮及轴、制动器等设备事故，且在某一部分 发生故障时，也要求倾动机械有能力继续工作至转炉冶炼结束。 3)倾动机构能适应载荷的变化和转炉结构的变形。 2.32.3 倾动机械的几种基本机构和配置形式倾动机械的几种基本机构和配置形式 本次设计的题目是 210 吨转炉倾动装置，由电动机、一次减速机、二次减速机、 扭矩缓冲平衡装置等组成，使转炉炉体完成兑铁水、出纲、加料、修炉等一系列工艺 操作，而且关系到产品安全和人生安全等重大问题，对于转炉倾动装置的研究是非常 必要的。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 2.3.12.3.1 落地式配置倾动机械落地式配置倾动机械 落地式配置倾动机械的特点是：全部传动机械均安装在地基上，通过连轴器或大 齿轮与耳轴连接，实现转炉的倾动，落地式配置中按传动机械的结构又分为涡轮-正齿 轮传动，全正齿轮传动，和行星齿轮传动。落地式倾动机械机构简单，只要采用适当 传动机构形式，就可以使倾动机械适应托圈下凹引起的耳翘曲变形。但其占地面积比 其它配置形式大，抗冲击及抗扭疲劳性能差。 2.3.22.3.2 半悬挂式配置倾动机械半悬挂式配置倾动机械 半悬挂式配置倾动机械的特点是：将最末一级齿轮副的主动小齿轮装在该齿轮副 的客体上，与大齿轮一起悬挂在耳轴上，而其它传动装置仍安装在基础上。初级减速 机与末级减速机齿轮之间，用万向联轴器或齿型联轴器连接。半悬挂式配置倾动机械 从传动结构有可分为：正齿轮传动倾动机械、行星茶动齿轮传动机械、小车式双扭杆 柔性倾动机械。半悬挂式配置倾动机械能适应托圈下凹引起的耳翘曲变形，克服了末 级减速机齿轮啮合的不良影响，但由于初级减速机与悬挂减速机之间使用连轴器连接， 使倾动机械占地面积大，布置不够紧凑。 2.3.32.3.3 全悬挂式配置倾动机械全悬挂式配置倾动机械 全悬挂式配置倾动机械（如图 1.1 所示）的特点是：从电动机到末级齿轮传动副 全部传动装置悬挂在耳轴上。全悬挂式配置倾动机械根据缓冲止动装置的结构形式， 可分为：带有弹簧止动装置的全悬挂式配置倾动机械；带橡胶块缓冲止动装置的全悬 挂式配置倾动机械；带扭力杆缓冲止动装置的全悬挂式配置倾动机械。全悬挂式配置 倾动机械采用多电动机，多初级减速机共同带动悬挂在耳轴上的大齿轮使转炉倾动。 其优点是：有较大的备用能力，一个驱动系统发生故障仍可继续进行工作，直到一炉 冶炼结束；其次能充分发挥大齿轮的作用，使各齿轮受力减小，设备的重量和尺寸也 减小。全悬挂式配置倾动机械从传动结构上分为：全正齿轮多点啮合传动，直流电动 机驱动调速；大、小交流电动机驱动，多点啮合传动，行星差动调速；正齿轮-涡轮双 点啮合传动，直流电动机驱动调速。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 图图 1.1 全悬挂式配置倾动机械综合了落地式和半落地式的优点，克服了二者的缺点，是大 型转炉机械发展的方向。 2.42.4 倾动机械的优缺点比较倾动机械的优缺点比较 最早的氧气顶吹转炉于 1919 年应用于奥地利林次钢厂，倾动装置采用了液压传动 作为动力源，随之电器机械传动装置取而带之。 目前，倾动装置主要有三种基本形式：落地式，半悬挂式和全悬挂式。随着现代转 炉向大型化发展，转炉倾动装置已由全悬挂式取代了落地式和半悬挂式，并在国内外 钢厂中获得广泛应用。其特点如下：属现在使用最多的配置形式。它将整个传动装置 全部挂在了耳轴的外伸端上，末级齿轮常采用多点啮合传动，使这种配置形式的结构 紧凑，重量轻，占地面积小，运转安全可靠，工作性能好。这种配置形式必须考虑采 用性能好的抗扭缓冲装置。次装置零部件少，使用寿命长，具有很好的缓冲及减振性 能，尤其在转炉出钢、兑铁水、除渣等工艺过程中发挥缓冲吸振作用。与半悬挂形式 相比较，最突出的优点有：扭力杆缓冲止动装置的作用力不会传递到耳轴上，既耳 轴上不会有附加水平力；扭力杆装置的基础与半悬挂形式比较要小。外了防止过载， 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 避免扭力杆的损坏，在末级减速机机壳的下方，设置有止动支座（既保护挡铁） 。当倾 动力矩超过正常倾动力矩的 2.5 倍时，末级减速机机壳底部与止动支座接触，扭力杆 不再承受更大的扭矩。全悬挂式配置常用于大型转炉中，但现在也较多应用于中型转 炉中。 通过以上的介绍我们知道，落地式是最早采用的一种布置形式，主要用于容量不大 的转炉上，缺点是末级大齿轮在托圈耳轴上，托圈变形引起耳轴轴线发生较大偏斜时， 末级齿轮的正常啮合关系被破坏，产生载荷的集中分布，加速了齿轮的磨损。在此基 础上发展起来了半悬挂式配置倾动装置，其缺点是悬挂减速器与主减速器之间需要用 一个庞大的万向联轴器进行连接，占地面积较大。而全悬挂式配置倾动机械从电动机 到末级齿轮传动副全部传动装置都悬挂在耳轴上，采用多点啮合柔性支撑传动，即使 托圈发生变形也不会影响齿轮副的正常啮合，同时也不需要通过笨重的万向联轴器实 现悬挂减速器与主减速器的连接，有较大的备用能力，能充分发挥大齿轮的作用，使 各齿轮受里减小，设备的重量和尺寸也减小，传动平稳。 2.52.5 转炉倾动机构的结构设计转炉倾动机构的结构设计 现在氧气转炉倾动机构通常采用的是圆柱齿轮多点啮合传动、直流电动机驱动调速、 带扭力杆缓冲止动装置的全悬挂式倾动机构形式。它主要由以下几个部分组成：驱动 电动机、一次减速机、二次减速机、扭力杆式扭矩平衡装置、抗扭止动装置及稀油润 滑站等。 2.62.6 确定方案确定方案 综上所述，本次设计的 210 吨转炉采用全正齿轮多点啮合传动、直流电动机驱动、 带扭力杆缓冲止动装置的全悬挂式配置倾动机械。 第三章第三章 倾动力矩的计算和最佳耳轴位置的确定倾动力矩的计算和最佳耳轴位置的确定 转炉倾动力矩的计算，是由转炉炉体重量及其重心的计算和力矩计算两部分组成。 其计算内容包括： 1.空炉重量及其中心的计算。其中包括：炉壳重量及其重心的计算；新炉炉衬及其重 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 心的计算。 2.炉内液体（铁水、炉渣）重心的计算。 3.预选耳轴和力矩的计算。 4.确定最佳耳轴位置和力矩的计算。 5.根据生产工艺要求进行的特殊计算。 3.13.1 转炉炉壳质量及重心位置的计算转炉炉壳质量及重心位置的计算 3.1.13.1.1 建立空炉模型建立空炉模型 转炉炉型可分为：筒球型、锥球型、截锥型。筒球型是由圆柱体和球缺体组成的， 特点是结构简单、炉壳制造容易、炉衬砌筑方便。锥球型是由球缺体和截头圆锥体组 成的，特点是适合钢水的流动、有利于保护炉底、有利于物理化学反应的进行。截锥 型是截头圆柱体，特点是结构简单、熔池为平底、易于砌筑。本次设计中选用筒球型 来建立模型。 （如下图 3.1） 图图 3.1 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 各参数如下： d1=4624.8mm d2=4701mm d3=8078mm d4=8268mm d5=7090.7mm d6=7154.2mm r=5943.6mm h1=3397mm h2=5143.5mm h3=894.7mm h4=1296.3mm h总=10731.5mm 炉帽钢板厚度=76.2mm 炉身钢板厚度=95mm 炉底钢板厚度=63.5mm 钢板密度 =7.85 103kg/m3 以上参数的选择均参考自“包钢 210 吨转炉样本”和氧气顶吹转炉炼钢工艺与设备 。 3.1.23.1.2 炉壳重量与重心的计算炉壳重量与重心的计算 计算步骤如下： 1. 划分为简单的几何体。 2. 取炉型垂直轴线为 z 轴，z 轴通过炉底壳表面的一点为原点 o，耳轴轴线方向 为 y 轴。通过原点与耳轴轴线垂直的轴为 x 轴。 3. 计算各几何体的重量，及其重心坐标值。 4. 计算炉壳、炉衬各自的总重量，合成重心坐标值。 5. 空炉合成重量和合成重心的计算。 圆柱壳计算公式：g 12 （r +r ）h 式中，即钢板厚度。 12 rr 122 g 炉身圆柱壳 （r +r ）h 12 7.85 3.14(/ 2/ 2)0.065.1435 7.85 3.14(4.0394.134)0.095 5.1435 98.4381 dd 吨 圆柱重心计算公式：zc=h2/2=5.1435/2=2.5718m zc圆柱=zc+h1+h3+h4=2.5718+3.397+0.8947+1.2963=8.1598m 圆台壳计算公式：g 12 （r +r ）h 3412 1 44 d g 炉帽圆台壳 d +dd （+）h 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 7.85 3.14(2.33154.0865)0.07623.39 40.9496 吨 圆台重心计算公式： 式中 12 31 c h z 21 r r 1 124.0865 2.3315123.397 1.8533 31314.0865 2.3315 c h zm 234 1.85335.14350.89471.29639.1878 cc zzhhhm 圆台 123 g 炉底圆台壳 （r +r ）h 5634 3 44 d dd+d （+）h 7.85 3.14 10.7098 （3. 5612+4. 0865）0. 0635 0. 8947 吨 炉底重心： 3 12 0.4576 31 c h zm 34 1.7334 cc zhzhm 炉底圆台 球缺壳计算公式：2gr h 4 2gr h 球缺壳 7.85 2 3.14 5.9436 0.0635 1.2963 24.1189 吨 球缺壳重心： 4 20.6482 c hm 球缺壳 z 合成计算： ggggg 壳炉帽圆台壳炉底圆台壳球缺壳炉身圆柱壳 98.438140.9496 10.709824.1189 174.2164 吨 ) cccc c gzgzgzgz z g 炉帽圆台壳炉帽圆台壳炉底圆台壳炉底圆台壳球缺壳球缺壳炉身圆柱壳炉身圆柱壳 壳 壳 （ (98.4381 8.159840.94969.187810.7098 1.733424.11890.6482) 174.2164 6.9665m 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 3.23.2 转炉炉衬质量及重心位置的计算转炉炉衬质量及重心位置的计算 3.2.13.2.1 建立空炉炉衬模型建立空炉炉衬模型 炉衬厚度的选取：参考“包钢 210 吨氧气顶吹转炉”取炉帽处炉衬厚度为 d1=830mm， 炉身上侧炉衬厚度为 d2=990mm，炉身下侧及炉底炉衬厚度为 d3=1066mm。 建立空炉炉衬模型（如下图 3.2） 图图 3.2 参数如下： o 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 h1=3397mm h3=894.7mm h4=1296.3mm h5=2851mm h6=546mm h7=3590.5mm h8=1553mm h9=1125mm d7=6098mm d8=5946.6mm d9=d1=4624.8mm d10=d3=8078mm 炉衬密度 =3000kg/m3 3.2.23.2.2 炉衬重量与重心的计算炉衬重量与重心的计算 1.炉帽部分： 圆台重量计算公式： 22 11 22 () 3 gh rrrr 22 111 22 () 3 gh rrrr 炉帽大圆台 223311 22 3.14 3.397 32222 3.148.0788.0784.62484.6248 3.397 ()()()() 3 32222 330.6693 dd dd （）+()()+() = 吨 22 111 22 234 22 11 22 23 () 4 hrrrr zhhh rrrr 大截锥体 22 22 3.3974.0394.0392.3124232.3124 5.14350.89471.2963() 44.0394.0392.31242.3124 8.7326m 1 11 00 1 22 00 0.83 4.0393.1016 cos27.7cos27.7 0.83 2.31241.375 cos27.7cos27.7 d rrm d rrm 22 511 22 () 3 gh rrrr 小截锥体 22 2.851 3 （3. 1016 +3. 1016 1. 375+1. 375 ）3 =141. 2218吨 22 511 22 234 22 11 22 23 () 4 hrr rr zhhh rr rr 小截锥体 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 22 22 2.8513.10163.1016 1.37523 1.375 5.14350.89471.2963() 43.10163.1016 1.3751.375 8.4105m 2 26 grh 炉帽圆柱体 2 3.14 1.3750.5643 10.0447 吨 6 2345 2 h zhhhh 炉帽圆柱体 0.546 5.14350.89471.29632.851 2 10.4585m 合成计算： gggg 炉帽炉帽大圆台小截锥体炉帽圆柱体 330.6693 141.221810.0447 179.4028 吨 gzgzgz z g 炉帽大圆台大截锥体小截锥体小截锥体炉帽圆柱体炉帽圆柱体 炉帽 炉帽 330.6693 8.7326141.2218 8.410510.0447 10.4585 179.4028 8.8895m 2.炉身部分： 22 117 grh 炉身上 （r） 22 3.14(4.0393.049 )3.5905 3 237.3366 吨 7 348 2 h zhhh 炉身上 3.5905 0.89471.29631.553 2 5.5393 （） 22 338 grh 炉身下 （r） 37 2rd 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 15 22 3.14 5.9436(5.94361.066) 1.553 3 168.7544 吨 8 34 2 h zhh 炉身下 1.553 0.89471.2963 2 2.9675m 3.炉底部分： 223355 3( )() 3 32222 dddd gh 炉底圆台 2.8094(16.313514.319712.5695) 121.3737 吨 223355 3 43 223355 ()23 () 2222 4 ()() 2222 dddd h zhh dddd 炉底圆台 1.763m 24 4 3 h gh 外圆球缺 （r） 2 1.2963 3.14(5.9436) 1.29633 3 87.2436 吨 44 4 4 4 43 hrh zh rh 外圆球缺 1.296345.94361.2963 1.2963 43 5.94361.2963 0.8557m 29 49 3 h gh 内圆球缺 （r） 2 1.125 3.14(4.876) 1.1253 3 53.6607 吨 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 16 949 34 49 4 43 hrh zhh rh 外圆球缺 1.12544.8761.125 0.89471.2963 434.8761.125 1.8046m 合成计算： gggg 炉衬底炉底圆台炉底外圆球缺炉底内圆球缺 121.373787.243653.6607 154.9566 吨 gzgzgz z ggg 炉底圆台炉底圆台炉底外圆球缺炉底外圆球缺炉底内圆球缺炉底内圆球缺 炉衬底 炉底圆台炉底外圆球缺炉底内圆球缺 1.2388m 4.炉衬的合成重量和合成重心计算： ggggg 炉衬炉帽炉底炉身上路身下 179.4028237.3366168.7544154.9566 740.4504 吨 gzgzgzgz z g 炉帽炉帽炉底炉底 炉身上炉身上路身下路身下 炉衬 炉衬 179.4028 8.8895237.33665.5393168.75442.9675154.9566 1.2388 740.4504 4.8649m 3.33.3 空炉质量及重心位置的计算空炉质量及重心位置的计算 ggg 炉壳炉衬 174.2164740.4504 914.6668 吨 gzgz z g 壳壳炉衬炉衬 炉 炉 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 17 174.21646.9665740.45044.8649 914.6668 5.2652m 3.43.4 转炉摩擦力矩的计算转炉摩擦力矩的计算 耳轴摩擦力矩计算公式： ()2 mkdtuoxue mggggd 式中： 空炉重量（kn） k g 炉液重量（kn） d g 托圈及附件重量（kn） tuo g 悬挂减速器的重量（kn） xue g 摩擦系数（滚动轴承=0.020.05） dd=(+)/2d内d外 根据包钢 210 吨转炉，取转动轴直径1060mm，取双列圆锥滚子轴承的外径尺寸为 1590mm。 托圈重 227 吨，悬挂减速器的重量为 105.1434 吨。取=0.04 914.6668 9.88963.7346() k gkn 2209.82156() d gggkn 钢水渣 2279.82224.6() tuo gkn 105.14349.81030.4053() xue gkn (1.0601.590) 21.325dm (8963.734621562224.61030.4053)0.04 1.325755.7833() m mkn ma 利用 ansys 软件求的最佳耳轴位置为 l=5.5397 米，最大力矩为 m=3801.276时，kn ma 转炉倾动角度为 60，转炉开始出钢的角度是 63.075。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 18 计算详细情况见附录。 倾角-力矩图 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 倾角（） 力矩（kn） 图图 3.3 4.14.1 初选电动机初选电动机 4.1.14.1.1 初步确定电动机的功率初步确定电动机的功率 转炉电动机所需功率： max 975 kmn n 式中： n 电动机需要的功率（千瓦） 最大倾动力矩（公斤力每米） max m n 转炉的转速（转/分） 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 19 k 电动机误差系数，取 1.1 倾动机械的总效率。 查机械设计课程设计确定各部分的效率如下： 高速轴的效率为：=0.97 1 中高速轴的效率为：=0.99 2 中速轴的效率为：=0.99 3 中低速轴的效率为：=0.99 4 低轴的效率为：=0.97 5 二次减速机效率为：=0.99 6 1 23456 0.9 max 975 kmn n 1.1 3801.276 1000 1 121.56 9750.949.8 kw 4.1.24.1.2 电动机的选择电动机的选择 由于转炉倾动机械负载大，启动止动频繁，并且经常受冲击载荷，进行一些逆转 等，因此相应的电动机应该用比较大的过载系数，能承受频繁的启动、制动、逆转、 振动和冲击等问题。由机械设计手册单行本减（变）速器、电动机和电器，选 直流电动机。 支流电动机的特点： 1.优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，转速比可达 1：200。 2.过载能力大，并能在低速条件下连续输出较大力矩。 3.可承受频繁的冲击性负载。 4.可实现频繁的无级快速启动，制动和反转。 5.能满足生产过程自动系统各种不同的特殊运行的要求。 根据电动机输出的最大功率，初选电动机为 z4-250-31，额定功率为 132kw，额 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 20 定转速为 1000r/min 励磁功率 2850 kw，额定电压 400v，额定电流 334a，重量为 1070kg。 励磁方式：串励，它的特点是启动力矩很大，启动转矩可达额定转矩的 5 倍左右， 短时过载可达额定转矩的 4 到 4.5 倍左右，转速变化率很大，空载转速极高，适于要求 很大的启动和制动转矩，转速允许有较大的负载。 4.1.34.1.3 过载校核过载校核 （1）.塌炉过载校核 塌炉力矩按 3 倍于最大计算力矩考虑，既要求电动机的最大过载力矩大于最大倾 动力矩的 3 倍。 根据： max 975 3 ta n mm kn 将过载系数=2.8，n=132kw，k=1.1，=0.91，n=1rad/min 代入上面公式得： max 10009750.91 1324 3 3801.2761163655.9()32.81192464() 9.81.1 1 m aa公斤力米公斤力米 满足要求。 （2）.事故过载校核 当一台电动机出事故时，另三台电动机要继续工作直到本炉冶炼结束，假设电动 机在转炉 1r/min 速度下过载工作，此时过载系数=2.8 根据： max 975(1)n m kn max 3801.276 1000975(1)9750.91 3 132 387885.32.8894348 9.81.1 1 n m kn a（公斤力米） 满足要求。 （3）.高速过载校核 当电动机电压为 400v 时，电动机转速为 1000r/min，电动机过载系数=2.8，转 炉转速为 1.5r/min。 根据： max 975 n m kn max 3801.276 1000975975 1320.91 4 387885.32.8794976() 9.81.1 1.5 n m kn a公斤力米 满足要求。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 21 4.24.2 传动比分配传动比分配 在计算齿轮之前，首先要分配传动比。设计减速器时，合理的分配各级传动比是 一个很重要的步骤，因为它将直接影响到减速器的外形尺寸、形状、润滑条件和各零 件的装配条件。 4.2.14.2.1 分配传动比的一般原则分配传动比的一般原则 传动比分配一般遵循以下原则： 1. 尽可能使各级传动的承载能力相等，既强度一致。因为减速器在运转时，无论是并 联传动还是串联传动，只要其中有承载能力最差的一级失效，整个减速器就会失去 正常工作的能力。因此，减速器的各级传动强度不能相差太大，这一原则成为等强 度原则。 2. 各级传动大齿轮浸入油池的深度大致相等。如果齿轮浸入油池的深度适当，所有齿 轮将有良好的润滑。如果油面过低，只有低速级大齿轮进入油内，而其它齿轮浸不 到油内，造成润滑不良，就必须提高油面，但如果油面过高不但增加减速器的运油 量，而且还增加了低速级大齿轮搅油的功率损失。 3. 要使减速器外形尺寸小，重量最轻，符合主机的要求。 仅仅靠正确分配各级传动比来达到上述各项要求，一般不易办到。还应适当的选择各 级齿轮的参数，才能使上述各项要求得到基本的满足。 4.2.24.2.2 分配传动比分配传动比 转炉转速 1.5r/min，所选电动机的转速为 1000r/min，则电动机到转炉的整个传动 比为参考机械设计手册中册第二版表 8-390，单级斜 0 1000 1.5666.7inn 总 齿轮的传动比 i810，所以取二次减速机的传动比为 10。剩下一次减速机的传动比 为 i=666.7/10=66.67。参考包钢 210 吨转炉，取一次减速机的传动比分配如下： 高速级传动比：i1=3.1 高中速级传动比：i2=2.95 中速级传动比：i3=2.95 低速级传动比：i4=2.47 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 22 4.34.3 选择减速器的传动方案选择减速器的传动方案 4.3.14.3.1 减速器传动方案的比较减速器传动方案的比较 齿轮减速器根据齿轮形状的不同，可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、圆锥 -圆柱齿轮减速器。根据传动基数的不同，可分为单极、两极和多极减速器。 第一种方案如图 4.1 所示，其传动的特点是:它的三个双联齿轮和轴之间没有作轴 向固定，可以自由的轴上转动（双联齿轮孔内安装有轴承） 。它只用两根轴就能实现四 级传动，其结构紧凑，其横向尺寸较小，在要求结构紧凑的场合常采用这种方案。它 的缺点是轴向尺寸较大，结构也比较复杂。有时为了使四对齿轮的中心距相同，还必 须运用修正齿轮。 图图 4.1 第二种方案如图 4.2，是圆锥-圆柱齿轮减速器。它的特点是输入轴和输出轴垂直分 布。由于圆锥齿轮加工比较困难，所以只有在机器的整体布置中有非常需要时才采用 这种传动方案。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 23 图图 4.2 第三种方案如图 4.3，是展开式传动装置。它的结构简单，零件数少。适合于高速、 重载、冲击 载荷等现场。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 24 图图 4.3 4.3.24.3.2 选择减速器的传动方案选择减速器的传动方案 在选择减速器的传动方案时，要求达到即能满足主机的工作要求，又要机构紧凑， 重量轻，工艺性好、成本低，装配检修方便。按照传动比的要求，决定采用第三种方 案。 4.44.4 各级传动齿轮的计算各级传动齿轮的计算 此级标题下用到的公式、图表全部来自机械设计 。 4.4.14.4.1 高速级斜齿圆柱齿轮的基本参数确定高速级斜齿圆柱齿轮的基本参数确定 1.选定齿轮类型、精度等级、材料和齿数 选小齿轮材料为 40cr，调质处理，硬度为 280hbs。大齿轮的材料为 45 钢，调质处理， 硬度为 240hbs，选用 7 级精度（gb 10095-88） 。初定小齿轮齿数 z1=20,大齿轮齿数 z2=z1i1=62。初选螺旋角。14 2.按齿面接触强度设计 按式（10-21）试算，既 21 3 1 21( ) he t dh ktz z d （1）.确定公式内的各计算数值 试选 kt=1.6。 由图 10-30 选取区域系数 zh=2.433。 由图 10-26 查得=0.72，=0.8，=0.72+0.8=1.52。 1 2 12 由表 10-7，选取齿宽系数=1。 d 由表 10-6，查的材料的弹性影响系数 ze=189.8mpa1/2。 由图 10-21d，按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限=600mpa；大齿轮的 lim1h 接触疲劳强度极限=550mpa lim2h 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）