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转炉厂3#转炉(100t)倾动机构扭力杆联接螺栓断裂分析与处理 发表日期：2006-11-18阅读次数：2941事故的发生1.1转炉倾动机构及扭力杆简介 涟钢转炉厂3#转炉设计公称容量为100t，其转炉倾动系统采用目前比较成熟的悬挂式多级传动。转炉本体通过耳轴与二次减速机联接，二次减速机与四台一次减速机联接。二次减速机本体通过四副关节轴承利用8根M56的高强度的螺栓(10. 9级)与扭力杆相联接。 扭力杆的作用是平衡转炉由于自重等外力对耳轴产生的弯曲变形带来的力，又因为扭力杆的中心线与二次减速机径向中心线有一定的距离，因此扭力杆就会承受由于这个距离而产生的扭转变形;这也是扭力杆名字的由来。1.2事故的发生 2004年5月2日l3时40分左右，3#转炉当班操作人员正在冶炼时突然听到转炉倾动机构位置传来“砰”的一声闷响，立即到转炉倾动机构处检查，发现扭力杆与二次减速机靠南侧4根联接螺栓全部断裂，导致整个倾动机构南边翘起。1.3现象分析 事故发生后，发现螺栓断裂处之断面痕迹呈整齐的折断状，通过分析，初步确定了两个原因:(a)螺栓的材质与加工工艺是否达到要求;(b)由于转炉除了装入量加大外(当时最大装入量为127t)其它的参数均没有变化，螺栓的断裂是否与装入量有关联。因此本文着重阐述了转炉装入量变化后，螺栓的受力情况并进行强度校核，为进一步分析提供参考。2联接螺栓的受力分析与计算2.1转炉炉体受力分析 转炉在倾动过程中，受力比较复杂，忽略一些次要因素，转炉主要受到转炉设备本身的质量以及装入的质量所产生的重力。另外由于转炉的设计是微正力矩，因此转炉在倾动到一角度后，转炉耳轴同时受到弯矩与扭矩。我们可分别计算出转炉耳轴受到弯矩与扭矩时扭力杆联接螺栓的受力。2.1.1转炉耳轴受弯矩时扭力杆联接螺栓的受力 转炉耳轴受到弯矩作用就是转炉在0360范围内摇动，只考虑外力对由转炉的短耳轴、转炉托圈、长耳轴组成的刚性轴产生弯矩作用。 将转炉的短耳轴、转炉托圈、长耳轴视为一刚性轴，将其转化为如图1所示的力学模型。图1转炉耳轴与托圈转化为刚性轴受力示意图 图中G1为转炉炉体装配质量m1、耐火材料质量m2与转炉装入量m3重力之和 G ( m1+ m2+ m3)gN(1) G2为倾动部分(包括一次减速机、二次减速机、上下电机支座、制动器、联轴器等)质量m4重力之和 G2=m4g(2) L1 、L2分别为非传动侧与传动侧轴承座中心线到转炉中心线的距离 L1= L2=4690mm L3=1650; N1为非传动侧轴承座的支撑力; N2为传动侧轴承座的支撑力。 由图1得N1+ N2= G1 + G2(3) 以A为支点则G1L1 + G2(L1+ L2 + L3)二N2(L1+ L2)(4) 以B为支点则G1L2= N1(L1+L2)十G2L3(5) 联立(1),(2),(3),(4).(5)可得到转炉在最大装入量为127吨时G1= 5403829.9N , N1=3538203N,N2 =2341612.9N。 下面计算图1所示轴的弯曲变形(叠加法): 在G1的作用下，轴的变形如图2所示:图2轴在G1单独作用下的变形 在G2的作用下，轴的变形如图3所示:图3轴在G2单独作用下的变形 式中:E一材料的弹性模量(GPa ); I一轴横截面的惯性矩(cm4) 。 由于该轴的材质为37SiMn2MOV , E=206 GPa I=d4/32=6441246cm4联立(6) ,(7) ,(8) ,(9)、(10)、(11)得 转炉的最大装人量为127吨时 因此，在图1中 f2即为螺栓的轴向应变，=0.419由胡克定律=/E 螺栓横截面上的应力:=E=F1 /A F1=EA=212592.124 N于是，此时每根螺栓受到的拉力为F1=212592. 124N2.1.2转炉耳轴受扭矩作用时扭力杆联接螺栓的受力 转炉耳轴受扭矩作用就是转炉在0-360范围内摇动，只考虑外力对由转炉的短耳轴、转炉托圈、长耳轴组成的刚性轴产生扭矩作用。 由于转炉倾动时，转炉内的铁(钢)水是随时流动的，其质心难以确定，因此我们约定:转炉在倾动过程中，炉内的铁(钢)水并不随着流动，即将炉内的铁(钢)水当作固体进行处理。 转炉从装料(主要是铁水、废钢等)到冶炼完毕(倒渣后，也就是具备出钢条件时)出钢的各个时间段内，由于整个转炉系统在每段时间内的质量是变化的，也就是说转炉的质心在上述各个时间段内是变化的，因此有必要求出转炉在各个时间段内的质心。由于装料时是转炉受力最大的时候，因此只考虑转炉装料时的受力情况。 转炉在装料时质心:设转炉的装人量为m吨，铁水装人转炉后在转炉内的高度为H铁。 式中: V铁一铁水装人转炉后所占的体积，其中铁水单耗为t=990/t，则装人铁水为T铁=0.99m吨，废钢为T废钢=0.01m吨。铁水的密度为7.0吨/m3。 V铁=T铁/铁 =0.99m/7. 0 m3(15) V废钢废钢装人转炉后在转炉内所占的容积; V废钢二T废钢/=0.01m/7.8 m3(16) ho一转炉内耐火材料的厚度，ho =0.63m. 设转炉在炉前装料时的角度(在炉后出钢时的角度)为，分析转炉在炉前装料、炉后出钢时的受力情况，见图4。图4转炉受扭矩时受力情况简图 分析转炉有炉前装料时的受力情况(见图4)可知，转炉受到的力矩M主要由两部分组成，一部分是炉内铁(钢)水的重力对转炉耳轴的力矩M1，另一部分是转炉本体的重力对转炉本体的重力对转炉耳轴的力矩M2。 其中h, = 8200/2mm一3900mm =200mm h =2830mm 又，转炉在炉前装料时5060转炉的装人量m=127t时 此时H=1396.03936794mm H钢=1171.62603724mm 2669901.027NmM3018365.497Nm2.1.3倾动机构扭力杆螺栓在M的作用所受到的拉力 力矩M通过二次减速机、一次减速机，最后传动电机轴，如果电机没有被制动，M会使电机轴旋转(当转炉在炉前时，电机轴顺时针旋转，当转炉在炉后出钢位置时，电机轴逆时针旋转);由于电机处于制动状态.电机不能反向旋转，这样的话，这个力矩最终使整个倾动机构的传动部分(一次减速机与二次减速机)以长耳轴的轴向中心线为中心旋转(当转炉在炉前时，传动部分顺时针旋转;当转炉在炉后出钢位置时，传动部分逆时针旋转)，使扭力杆联接螺栓受到力F2(当转炉在炉前时，北面的扭力杆联接螺栓受到拉伸，南面的扭力杆联接螺栓并不受力;当转炉在炉后出钢位置时，北面的扭力杆联接螺栓并不受力，南面的扭力杆联接螺栓受到拉伸)，进而求得每个螺栓受到的拉力F2.(注意:此时由于此处有相互垂直的关节轴承，故螺栓并不会受到剪切力或受到的剪切力很小，可以忽略不计)。 转炉装料时，此时北面的4个螺栓受到拉伸，南面的4个螺栓并不受力，在力矩M的作用时，北面4个螺栓就提供了一个与力矩M反向的力矩M4，而南面4个螺栓此时并不受力，而由扭力杆南面螺栓座也提供一个与力矩M反向的力矩M4，并且M=-2M4;转炉处于出钢位置一侧时，情况刚好与上述装料位置时相反，此时，南面4个螺栓就提供了一个与力矩M反向的力矩M4，而北面4个螺栓此时并不受力，而是由扭力杆北面螺栓座提供一个与力矩M反向的力矩M4。 扭力杆南、北螺栓组的间距L=3900士1 mm于是力矩M对北面4个螺栓的拉力: F北 =M4/(L/2)=M/L 转炉的装入量m=127t时:2669901.027 Nm M3018365. 497 Nm684590N F北= M/L773933.9N F南=0 此时每个螺栓(M56)受到的力(假设每个螺栓受力状况完全一样): 171147 N F2北=F北/4193483 N F2南=02.2倾动机构扭力杆每个联接螺栓 M56 受到的总拉力F 综合2.2.1以及2.2.2的计算结果可得出如下结论:转炉的装入量为127吨时: 南面的扭力杆联接螺栓受到的力F= F2南+F1=212592N 北面的扭力杆联螺栓受到的力F= F北+ F1 383739NF= F2北+F1 406075N3倾动机构二次减速机与扭力杆联接螺栓(M56)所能承受的最大载荷P3.1计算联接螺栓(M56)所能承受的最大载荷P 将倾动机构二次减速机与扭力杆联接螺栓(M56)简化为受轴向拉伸的拉伸“试样”。假设该“试样”在加载机上缓慢加载直到拉断，可绘出-关系曲线见图5。知道联接螺栓的长度极限b以及有效面积Ac，就能求出最大载荷P。3.1.1确定联接螺栓的强度极限b 倾动机构二次减速机与扭力杆联接螺栓( M56)的性能等级为10.9级，可确定螺栓的拉伸强度极限b和屈服极限s。 拉伸强度极限b=10 100=I 000 MPa ,屈服极限s=9a6/10 =900MPa图5 关系曲线3.1.2确定螺栓危险截面和面积Ac 对于M56的螺栓:螺距P=5.5，原始三角形高度H=0.866P=0.8665.5=4.763 mm ,螺纹小径d1 =50.046mm,螺纹中径d2=52.428mm Ac=(d1一H/6)2/4二1906.8mm23.1.3联接螺栓(M56)所能承受的最大拉力P P=bAc=1906800N 由