无钟布料器论文(完成)

1、本科毕业设计（论文）1200m3 3无料钟布料器马财生燕 山 大 学2010 年 6 月 燕山大学本科生毕业设计（论文）II本科毕业设计（论文）1200m3 3无料钟布料器学院（系）：机械工程学院 专 业：06 级机械装备 学生 姓名： 马财生 学 号： 060101010333 指导 教师： 答辩 日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：机械工程学院 系级教学单位：机械设计系 学号060101010333学生姓名马财生专 业班 级机械装备0601题目名称1200m3无料钟布料器题目类型工程设计题目类别毕业设计课题题目来源模拟主要内容1、理论计算：工艺参数、传动系统及主要部件的强度计算；2

2、、完成总装配、部件及零件三维图及工程图的设计；3、撰写开题报告、文献综述、翻译资料、设计说明书各一份。基本要求1、完成理论计算；2、完成 6 张 A1图纸量，至少一张 A0装配图，其中一张手工图；3、开题报告 3 千字以上，文献综述 4 千字以上；4、翻译与课题有关的外文资料不少于 3 千汉字以上；5、计算说明书 2 万字以上，参考文献 15 篇以上（其中学术期刊类参考文献不少于 8 篇，中文文献 10 篇以上，外文文献 5 篇以上） 。参考资料1、 炼铁机械2、 炼铁技术3、有关的国内外期刊、文集周 次14 周58 周910 周1115 周1617 周应完成的内容搜集熟悉资料总体方案确定撰写

3、开题报告理论计算总装配图总装配图部件图中期考核报告部件图零件图撰写计算说明书完善设计准备答辩指导教师：任廷志职称：教授 2010 年 03 月 01日系级教学单位审批： 年 月 日燕山大学本科生毕业设计（论文）IV 摘要I摘要本文的研究目的在于设计结构简单、传动效率高、运行可靠的无钟炉顶布料器，达到改变主流布料器传动系统复杂的现状。文中提出了布料器的传动方案，改进了布料器旋转圆筒的悬挂方式，采用曲柄连杆机构、回转支承、曲柄滑块作为溜槽倾动的传动机构，简化了传动系统，设计了布料器的关键部件，并且采用循环水冷系统，使得布料器传动部件能够在适宜的温度下工作。利用SolidWorks创建了布料器的主要

4、传动部件并建立了布料器的虚拟装配模型，装配模型的连接检测证实了布料器结构设计正确。并采用SolidWorks的仿真模块对布料器进行了仿真，证实了布料器可以实现预期的运动。分析了炉料的运动，建立了炉料在溜槽上和在空区中的运动方程，并推导出炉料在料面上的落点半径。关键词关键词高炉；无钟炉顶；布料器；仿真；布料燕山大学本科生毕业设计（论文）IIAbstractIn order to change the status of mainstream distributor with complex driving system, the aim of this paper are designing b

5、ell-less top distributor of blast furnace with simple structure, high transmission efficiency and reliable operation. The drive scheme of distributor is proposed, improved the suspension of rotating cylinder of the distributor, using crank-link, slewing bearing and crank-block as driving mechanism o

6、f chute inclination, simplified the driving system, the key components of distributor are designed. Loop water cooling system is applied to render transmission parts of distributor working at appropriate temperature. The key transmission parts of distributor are established through using of SolidWor

7、ks and virtual assembly model of distributor is built, connection detection of the assembly model certificated that the structural design of distributor is right. The simulation of distributor with using simulation module of SolidWorks demonstrated that the distributor can operate as anticipated. Th

8、e movement of burden was analyzed, the equations of burden movement on chute and in freeboard are formulated. Eventually the landing point radius of burden on burden surface is deduced. Keywords Blast Furnace ; Bell-Less Top; Distributor; Simulation; Burden Distribution 目 录III目 录摘要 IABSTRACTII目 录III

9、第 1 章 绪论11.1 高炉无钟炉顶布料器11.1.1 高炉炼铁在国民经济中占据重要地位 .11.1.2 高炉炉顶的发展历程 .11.1.3 新型无钟炉顶布料器的研制 .31.2 无钟炉顶布料器的布料51.2.1 无钟炉顶布料器布料的特点 .51.2.2 无钟炉顶典型的布料方式 .61.3 当前无钟炉顶布料器研究的热点81.4 本文研究内容及意义9第 2 章 无钟炉顶布料器设计102.1 布料器的传动方案102.1.1 旋转圆筒的驱动 .112.1.2 溜槽倾动传动 .122.1.3 倾动轴的驱动 .132.2 基本参数及设计性能142.3 传动部件设计162.3.1 耳轴 .162.3.2

10、 齿轮及减速电机 .202.3.3 曲柄滑块机构 .232.3.4 倾动轴驱动系统 .232.4 布料器的冷却、润滑和密封252.4.1 布料器的水冷系统和氮气系统 .262.4.2 布料器的润滑 .272.4.3 旋转圆筒与水冷盘、固定圆筒间的密封 .282.5 本章小结29第 3 章 布料器的虚拟装配和运动仿真研究303.1 虚拟装配的实现303.1.1 SolidWorks 简介 .303.1.2 虚拟装配的概念、流程及其优势 .303.2 布料器虚拟装配模型的建立32燕山大学本科生毕业设计（论文）IV3.2.1 装配模型 .323.2.2 机构连接检测 .343.3 无钟炉顶布料器的运

11、动仿真353.4 本章小结35第 4 章 溜槽布料器的布料规律364.1 炉料从闸阀到溜槽的运动。364.2 炉料在溜槽上的运动384.3 炉料在空中的运动414.4 本章小结46结 论47参考文献48致 谢50第 1 章 绪 论1第 1 章 绪论1.1 高炉无钟炉顶布料器1.1.1 高炉炼铁在国民经济中占据重要地位钢铁是国民经济、社会发展和国防建设重要的基础原材料，是工业发展中最重要的基础性结构材料和功能材料，没有钢铁就没有工业化。据总部位于布鲁塞尔的国际钢铁协会公布：2008年中国生铁产量5.02亿吨，占全球产量的37.8，我国自1996年成为世界第一产铁大国后，一直都保持较快的增长率。高

12、炉生产是目前获得大量生铁的主要手段。目前高炉生产的生铁占世界生铁产量的95%左右1，在炼铁生产中占统治地位。1.1.2 高炉炉顶的发展历程炉顶装料设备是用来装料入炉并使炉料在炉内合理分布，同时要起炉顶密封作用的设备。现代大型高炉每天要把上万吨的炉料装入炉内，设备的起制动频繁，受载大，机械零件表面不断受到炉料的冲击和磨损，此外装料设备长期处于高温、高压的状态，工作环境繁重而且恶劣，这使得炉顶装料设备寿命显著缩短。因此，炉顶装料设备应该满足下列要求2：(1)能够满足炉喉的合理布料，并能按生产需要进行上部调剂；(2)保证炉顶的可靠密封，使高压操作能够顺利进行；(3)在满足上面的要求下，设备结构力求简

13、单，制造、运输、安装方便；(4)零件的寿命长，维护修理方便，能实现自动化操作。布料器作为高炉炉顶装料设备的一个重要的组成部分，直接关系到高炉能否正常生产，它的研制和开发一直受到世界的关注。随着技术不断进燕山大学本科毕业设计（论文）2步，布料器的形式也在发生重大的改变，由敞开式炉顶、钟式炉顶布料器逐渐向无钟式炉顶布料器发展。20世纪70年代，在高炉炼铁行业，卢森堡PAUL WURTH公司（即PW公司）首先推出了无料钟炉顶布料器，并获得专利。该布料器与钟式炉顶布料器相比，具有布料工艺性能好、结构紧凑、操作稳定、维修简便等特点，为采用现代炼铁工艺，提高炉顶压力，改善炉料结构，减少维修成本创造了条件，

14、在技术上是一次大的飞跃。图 1-1 PW 布料器三十多年来，高炉无料钟炉顶在世界各国得到了迅速推广，目前世界上300m3至4000m3各种高炉的新建和改造性大修上，均采用无料钟炉顶新技术，无料钟炉顶成为普遍受欢迎的炉顶设备3。无料钟炉顶布料器以其布料方式灵活多样，布料均匀的优势，很快在高炉上得到广泛使用。但是随着无钟炉顶布料器的广泛应用，其缺点也日益暴露出来：(1)设备重量大、结构和传动系统复杂(见图1-2)、传动效率低，布料器故障停机率高；第 1 章 绪 论3图1-2 PW布料器传动系统 (2)无钟炉顶布料装置的通病是密封性能不够理想，氮气消耗量大，生产成本高，能源浪费大。(3)布料器内部依

15、靠氮气冷却，箱体内的有些部件或某些部位得不到充分的冷却，零件长时间处于高温下工作，容易损坏，设备更换频繁。(4)布料器传动系统太复杂，溜槽虽然很灵活，但自动控制很复杂，工艺操作上不易掌握。1.1.3 新型无钟炉顶布料器的研制自从PW无料钟炉顶布料器诞生以来，人们就没有停止对布料器及布料理论的研究，用以满足冶炼技术更新换代的需要，促进企业改革发展、提高经济效益。在PW式无钟布料器的基础上，国内外各钢铁公司及炼铁设备制造厂家竞相研究新型无钟炉顶布料器，克服现有布料器的缺点，使得高炉设备水平不断提高。下面介绍几种新型的无钟布料器: (1)万向节无钟炉顶布料器 西门子奥钢联(Siemens VAI)于

16、2006年研究出一种最新的万向节无钟炉顶布料器4(见图1-3)。它具备与PW无料钟炉顶布料器相同的功能，即旋转和倾动。但是其驱动机构和执行机构不再采用齿轮、行星轮、差动减速器、蜗轮蜗杆等机构，完全由液压驱动机构和曲柄连杆机构实现，而其溜槽则通过环形万向节悬吊。当用单个液压缸进行驱动时，可以实现溜槽的倾动，当用两个液压缸进行驱动时，其合成运燕山大学本科毕业设计（论文）4动则能实现溜槽的旋转运动。这种布料器的传动机构都布置在箱体之外，故不会受炉内高温高压气体的作用，也优化了传动部件的工作条件。该布料器另外一些重大的改进是改变了溜槽的结够，并且延长了溜槽的寿命，采用封闭的水冷系统等等。其优点也很明显

17、。虽然该布料器采用计算机自动控制系统，但是由于利用万向节悬挂溜槽，而万向节传动的运动规律本身就很复杂，可以肯定的是，该布料器溜槽运动的数学模型非常复杂，必导致对溜槽运动的控制变得非常困难，甚至难以实现螺旋布料。图1-3 万向节布料器(2)PW 改进型布料器 针对 PW 无料钟炉顶布料器存在行星传动的复杂性，中冶赛迪工程技术股份有限公司对 PW 无钟炉顶布料器的传动系统做了如下改进：取消了行星轮系5(见图 1-4)；对旋转圆筒的支撑采用回转支承，而不利用滚动轴承支撑，回转支承的内圈固定在布料器箱体上，外圈与旋转圆筒连接，外圈上的齿圈与旋转驱动装置的输出齿轮啮合；再在旋转圆筒上装另一带有双联齿圈的

18、回转支承，一个齿圈与倾动驱动装置的输出齿轮啮合，另一齿圈与涡轮减速箱上的输入齿轮啮合。溜槽的倾动仍需要通过差动机构来实现，故在螺旋布料时，溜槽的控制比较复杂。这种第 1 章 绪 论5布料器的主要优点就是简化了 PW 布料器的传动系统。但是蜗轮减速箱笨重，复杂的缺点却没有得到改善。图 1-4 PW 改进型布料器除了上述几种无钟炉顶布料器之外，国内外还存在一些其他类型的无钟炉顶布料器，例如外传动布料器6，攀钢SS型无钟炉顶布料器7，该布料器的主要特点是采用钢丝绳传动；液压传动的BG型无钟炉顶布料器；中冶赛迪工程技术股份有限公司开发的齿轮齿条传动布料器等8。由于篇幅有限，在此不一一介绍。这些布料器有

19、的还只停留在设计阶段，没有进入投产或广泛的应用阶段，有的存在很大的缺陷，不能满足高炉生产的需要。1.2 无钟炉顶布料器的布料1.2.1 无钟炉顶布料器布料的特点布料是高炉重要的操作控制内容之一9,利用装料制度的改变来控制炉料分布被称为上部调剂。其基本原理是利用炉顶装料装置的功能和炉料特性,控制炉料装入炉内时的落点位置、堆积厚度、径向剖面形状、粒度及燕山大学本科毕业设计（论文）6品种等的径向和圆周分布,来满足高炉冶炼过程的基本需要,即达到既能控制煤气流分布合理,使其热能化学能得到最大限度利用,又能保证炉料的顺利下降,维持高炉冶炼过程的稳定进行。以上几种无钟炉顶布料器都可以将炉料均匀地布在高炉炉喉

20、的料面上，并可以根据炉内的情况进行上部调剂。与钟式炉顶布料器相比，无钟炉顶布料器布料有如下特点：(1)布料理想，调剂灵活。旋转溜槽既可作圆周方向的旋转，又能改变倾角，可以把料布到炉喉的整个料面。(2)围绕高炉中心钱可以实现任何宽度的环形布料，每次布料的料层厚度可以很薄。(3)可以减少原料的偏析和滚动，各处的透气性比较均匀。(4)由于原料由一股小料流装入炉内，不影响炉喉煤气的通道，因此由煤气带出的炉尘比较少。(5)有利于整个高炉截面的化学反应。采用“之”字形装料，即把环形装料和螺旋布料结合起来，使高炉煤气在炉内上升时，走曲折的道路，延长煤气和炉料的接触时间，有利于煤气能量的利用。(6)可以实现非

21、对称性的布抖，如定点布料或定弧段的扇形布料。当高炉料柱发生偏行或“管道”时，可以及时采取有效的补救措施。1.2.2 无钟炉顶典型的布料方式布料操作是高炉基本操作中经常变动的操作。虽然无钟炉顶布料器可以进行灵活多样的布料，但是从目前的情况看，主要有以下四种典型的布料方式10：(1)环形布料 倾角固定的旋转布料称为环形布料，如图1-5(a)所示。这种布料方式与料钟布料相似，改变旋转溜槽的倾角相当于改变料钟直径。由于旋转溜槽的倾角可任意调节，所以可在炉喉的任一半径做单环、双环和多环布料，将焦炭和矿石布在不同半径上以调整煤气分布。(2)螺旋布料 倾角变化的旋转布料称为螺旋布料，如图1-5(b)所示。第

22、 1 章 绪 论7布料时溜槽做等速的旋转运动，倾角连续递增或递减，这种布料方法能把炉料布到炉喉截面任一部位，并且可以根据生产要求调整料层厚度，也能获得较平坦的料面。(3)定点布料 方位角固定的布料形式称为定点布料，如图1-5(c)所示。当炉内某部位发生“管道”或“过吹”时，需用定点布料。(4)扇形布料 方位角在规定范围内反复变化的布料形式称为扇形布料，如图1-5(d)所示。当炉内产生偏析或局部崩料时，采用该布料方式。布料时旋转溜槽在指定的弧段内慢速来回摆动。(a)(b)(c)(d)图 1-5 无钟炉顶布料器典型的布料方式燕山大学本科毕业设计（论文）81.3 当前无钟炉顶布料器研究的热点对布料器

23、的研究主要表现为对布料器的重新设计和改进。由于布料器的部分部件在高温高压的情况下工作，并且布料器的使用寿命要满足一代炉龄的要求，大概十年左右，重要部件都不宜更换，也不方便更换。所以不少专家学者对布料器都做过专门的研究，也取得了重要的研究成果。传统PW布料器溜槽的旋转及其倾动系统非常复杂，并且不便维修。所以设计结构更简单，方便维修且溜槽的旋转及其倾动采用独立的传动系统显得非常重要，因此人们尝试了多钟传动方案，例如：钢丝绳传动，液压传动，曲柄滑块传动，差动关节传动等等，不同传动方案的布料器在实际生产中得到了一定的应用。布料器的冷却、润滑、密封，这是任何一种布料器都不可回避的问题，采用氮气冷却虽然简

24、化了布料器的冷却系统，但是氮气消耗量大，并不是一种经济的冷却方式，故有些公司开发的布料器采用水冷方式11，也有学者对水冷的效果进行了分析。至于润滑密封，鞍山科技大学的付丽华、宋华对PW布料器作过专门的论述12，在一些关于新型无钟炉顶布料器开发的专利文献中，大多都涉及到了布料器的润滑和密封问题。对布料的研究主要表现对无钟炉顶布料器布料的数学模型、影响因素及料面的预测模型的研究。主要的研究成果如：文献13建立了理想条件下的炉料运动方程任廷志、金昕等考虑了溜槽参数，潜体阻力对炉料运动的影响14 15，使炉料运动的数学模型进一步接近炉料运动的真实情况；鞍钢进行了料面测试并根据测试结果调整布料时溜槽的始

25、末位置，本钢做了布料参数测定试验；张建良等开发了预测料面的数学模型等。这些研究结果都对无钟炉顶布料器的布料有积极的指导意义。此外，针对无料钟炉顶布料器的研究还表现在以下几个方面：长寿命溜槽的研制；无料钟炉顶的控制技术；高炉布料器齿轮箱回转支承故障诊断；基于有限元技术的高炉无料钟炉顶称量系统阀箱问题的分析等。随着计算机技术和有限元技术的发展，现有的计算机技术和有限元理论的有机第 1 章 绪 论9结合，对无料钟炉顶的高炉无料钟炉顶布料器整体力学性能研究等复杂的技术研究已经有了一定的进步，从而提高了布料器设计的可靠性，缩短从设计到生产的开发周期，节省设计开发成本16。1.4 本文研究内容及意义综上所

26、述，随着炼铁装备向大型化、自动化、高效化、长寿化、绿色化、节能降耗的方向发展，无钟炉顶布料器必将得到更大范围的应用。针对上述布料器的缺陷，本文对无钟炉顶布料器做了如下研究： (1)提出新的无钟炉顶布料器的设计方案，包括溜槽的悬挂，旋转，倾动传动系统的设计，使得布料器的结构进一步得到简化，并对重要的传动部件进行受力和强度分析。(2)对布料器需要密封的关键部位进行研究，改善布料器的密封性能，使得传动部件在更加洁净的环境下工作，延长传动部件的寿命。设计布料器的冷却系统，采用循环水冷方式对布料器进行冷却。(3)利用三维建模软件SolidWorks建立布料器的三维装配模型，并进行运动仿真和干涉检验，以检

27、测布料器的工作情况。(4) 分析了炉料的运动，建立了炉料在溜槽上和在空区中的运动方程，并推导出炉料在料面上的落点半径。研制具有自主知识产权和良好性价比及高服务质量的国产布料器，解决布料设备结构复杂，以及布料设备冷却、润滑、密封性能差的主要技术难题，使其结构简单、密封性能良好、制造容易、维修方便、工作可靠、成本降低的特点，最终实现高炉稳产、高产、低耗、长寿的目的具有重要的现实意义，对我国高炉无钟炉顶布料器的发展有积极的推动作用。燕山大学本科毕业设计（论文）10第 2 章 无钟炉顶布料器设计2.1 布料器的传动方案无钟炉顶布料器的传动方案如图2-1所示，溜槽的旋转和倾动分别采用两套相互独立的传动系

28、统。1 减速电机、2 中心喉管、3 固定圆筒、4 外齿式转盘轴承、5 曲柄 b、6 连杆、7 无齿式回转支承、8 托圈、9 布料器箱体、10 旋转圆筒、11 水冷盘、12 溜槽、13 耳轴、14 曲柄 a、15 小齿轮图 2-1 布料器的传动方案图2-1中两套驱动系统分别是：溜槽通过耳轴悬挂在旋转圆筒上，减速电机通过小齿轮，外齿式四点接触球转盘轴承驱动旋转圆筒旋转，因此溜槽可以做旋转运动；回转支承可沿布料器轴线上下运动，托圈固定在回转第 2 章 无钟炉顶布料器设计11支承上，因而曲柄b，连杆和回转支承构成了曲柄滑块机构，曲柄a由键与耳轴连接，曲柄a上的销轴插入托圈的滑槽内，当曲柄b摆动时，就可

29、以改变溜槽的倾角。采用这种传动方案，使布料器的结构得到很大的简化，也方便了溜槽转速和倾动速度的调节。2.1.1 旋转圆筒的驱动旋转圆筒的悬挂和它绕高炉中心线的旋转运动的驱动虽然不是无钟炉顶布料器设计的难点，但是对高炉的精确布料有重要影响。旋转圆筒的悬挂及其驱动方案见图2-2所示。小齿轮安装在减速装置的输出轴上，把减速电机的旋转运动传递给旋转圆筒。由于与小齿轮装配的轴悬臂布置，在径向作用力的作用下，会发生挠曲变形，因此其刚度较差。这时，齿轮副相互倾斜或者轮齿扭曲，轮齿沿接触线方向产生载荷分布不均匀现象，影响齿轮的寿命。为改善这一状况，采用了双列调心球轴承。调心球轴承主要承受径向载荷和不大的双向轴

30、向载荷，能够自动调心，以适应轴的变形或安装误差，适用于刚度较小的轴，二轴承同心度较低以及多支点的支承中。双列轴承使用轴承套固定，可以改善轴的受力状况，有力改善载荷分布不均的现象。这样布置得的齿轮属于开式传动，由于该齿轮的寿命要求较长，故应得到充分的润滑，以减少其磨损，延长其寿命。燕山大学本科毕业设计（论文）12图 2-2 旋转圆筒的悬挂及其驱动方案2.1.2 溜槽倾动传动前文所述的各种布料器溜槽倾动传动都存在某些缺陷，本文设计中采用曲柄滑块机构和回转支承作为布料器的传动部件，如图2-3所示。倾动轴通过双列圆锥滚子轴承支承于布料器箱体上。托圈只能沿布料器中心线上下移动，其旋转由托圈上的导轮和布料

31、器箱体上的导轨限制。托圈通过销轴与连杆相连。连杆与曲柄b通过销轴连接，从而把驱动轴的旋转运动转化为托圈的直线运动。回转支承的外圈由螺栓紧固件与托圈连接，回转支承的内圈可以随旋转圆筒一起旋转，相对旋转圆筒是静止的。曲柄a与耳轴间用键连接，并随旋转圆筒一起旋转，故曲柄a与回转支承内圈没有绕布料器中心线的相对旋转。曲柄a上有圆柱凸缘，回转支承内圈上开有滑动槽，把曲柄a上的销轴插入滑动槽(图2-4)，曲柄a上的销轴可以在槽内滑动。则回转支承的上下运动迫使曲柄a绕耳轴轴线旋转，从而带动耳轴旋转。该传动系统结构简单，传动效率高，传动可靠，虽然传动比随时间变化，但是，可以利用变频调速技术和计算机控制技术来调

32、节耳轴的转速，第 2 章 无钟炉顶布料器设计13满足溜槽倾动速度要求。图 2-3 溜槽倾动驱动方案图 2-4 回转支承内圈与曲柄 a 的连接2.1.3 倾动轴的驱动为了方便检修，图2-3中的倾动轴的驱动系统要求布置在布料器箱体外，并且它们的转速非常小，转角也不大。可采用电机双减速器驱动系统，如图2-5所示。小减速器的输出轴与倾动轴通过联轴器联接，大、小减速器和传动轴间也用联轴器联接。这种传动系统结构简单，采用了模块化的设计思想，任何一个模块出现了故障，对其整体更换即可。但是由于两根倾动轴要求同步旋转，减速器内的齿轮不可能没有间隙，在装配过程中，不燕山大学本科毕业设计（论文）14能完全消除间隙，

33、应尽可能调整这些间隙，使它们的变化方向趋于一致。减少两根倾动轴转角的微小差别，从而减小托圈的受力不均，保证回转支承在平移过程中与水平面的平行度。1234561 电机、2 小减速器输出轴、3 小减速器、4 大减速器、5 联轴器、6 传动轴图 2-5 倾动轴电机双减速器驱动系统2.2 基本参数及设计性能为研究大炉容布料器，本文以容积为450 m3高炉进行设计和模拟。据此可以确定布料器的总体尺寸以及布料器中心喉管的基本尺寸。布料器置于炉喉之上，故布料器的径向尺寸受其影响，关于炉喉直径的计算可以参考文献17，炉喉直径与炉缸直径，炉腰直径，风口高度，高炉容积密切相关，经过计算炉喉直径 m,布料器安装法兰

34、的外径9 . 41d至少要比炉喉直径小1 m左右，所以布料器的径向尺寸不大于3.9 m。中心喉管的内径按文献18可以通过式(2-1)计算： (2-1)522222 . 364tgVD式中 D中心喉管内径，m V料罐的有效容积，m3 g重力加速度，m/s2 原料流动系数，一般在.0.61.2 之间，焦炭取较小值，烧结矿和天然矿取较大值，球团矿取最大值。第 2 章 无钟炉顶布料器设计15 t一次布料时间，s取料罐的有效容积为V=12m3，重力加速度g=9.81m/s2，一次布料时间t=50s，为防止卡料取=0.6。按式(2-1)计算得中心喉管的直径为D=0.5057m。中心喉管的内径一般取6008

35、00mm，为了避免卡料，在330m3高炉上的无钟炉顶布料器中心喉管的内径取500mm,仿此文中的无钟炉顶布料器中心喉管内径取D=520mm。中心喉管的高度的初步确定，据文献19有式(2-2)： m (2-2)265. 15 . 06 . 455. 0255. 01dh布料器的功能最终要通过溜槽的旋转和倾动来实现，故溜槽的结构参数对布料器的设计起决定作用，溜槽的内径应当比中心喉管的内径大些，否则将会有部分炉料落在溜槽外的空间，使得溜槽失去对炉料的约束作用，达不到布料的目的，此处取溜槽内径D1=560 mm。至于溜槽的长度，也需按照炉喉直径确定，因为一定的炉喉直径有一适宜的溜槽长度，文献20给出了

36、极限条件下的溜槽长度，实际设计时溜槽长度应为炉喉半径的0.9倍，故此处溜槽总长L=2295 mm。经过计算各布料器的基本参数如表2-1所示。表 2-1 布料器设计参数中心喉管内径520 mm溜槽转速89.8 r/min中心喉管高度1265 mm溜槽倾角040溜槽长度2295 mm布料圈数810 圈溜槽内径560 mm布料器径向尺寸不大于 3900 mm溜槽溜槽及其悬挂结构如图2-6所示。溜槽本体采用耐热铸钢制造，但是它在炉喉条件下工作，槽内表面要承受炉料的猛烈冲击，为了保证溜槽的寿命，必须保证槽内表面的耐磨性，所以衬有鱼鳞状衬板。衬板上堆焊6-8 mm厚的耐热耐磨合金材料。溜槽采用吊鹅头，安装

37、维修方便。燕山大学本科毕业设计（论文）16图 2-6 溜槽及其悬挂以上是设计无钟炉顶布料器的基本参数。除此之外布料器还必须具备以下性能：能够承受0.25Mpa的炉顶压力；耐高温能力，正常炉顶温度为300C，异常700C时能够持续30 min；具备手动、自动条件下能进行定点、扇形、环形、螺旋布料功能，溜槽倾动速度08/s。2.3 传动部件设计据以上的传动方案和基本参数可以设计固定圆筒，旋转圆筒，耳轴，曲柄a，啮合齿轮，曲柄滑块机构，倾动轴驱动系统等的结构和参数。选择四点接触球转盘轴承，螺栓等标准件。对这些部件进行受力分析，强度计算，寿命校核，最终确定它们的结构和参数。由于篇幅所限，文中只对一些重

38、要传动件进行设计计算。2.3.1 耳轴耳轴的长度由油瓦、滑动轴、曲柄a、轴承端盖、轴向定位轴肩的宽度等确定，此外当旋转圆筒的内径和其上的轴承孔的位置确定后，还应保证溜槽在最大倾角处不与旋转圆筒的低端发生干涉。耳轴总长见如图2-7a第 2 章 无钟炉顶布料器设计17所示1 溜槽、2 耳轴、3 曲柄 a图 2.7 耳轴受力分析 (1)耳轴受力分析 耳轴上的作用力有溜槽和炉料的重力，滑动轴承的支反力，溜槽和曲柄a施加的一对平衡扭矩。耳轴的轴向力主要限制它的轴向移动，对它的强度影响不大，在此忽略。在理想状况下，由图2-6可以认为每个耳轴承受溜槽与炉料重力和的一半。但考虑到布料器的安全及长寿要求，假设这

39、些力和扭矩完全由一个耳轴承担，以增加其安全可靠性。燕山大学本科毕业设计（论文）18溜槽质量可按式(2-3)计算： (2-3)LDDm)(4121212211t2217.8 3.14 (0.760.56 ) 2.2951.8568式中 1溜槽材料密度，t/m3 D2溜槽外径，m炉料总质量可按式(2-4)计算：t (2-4)272. 1295. 256. 014. 35 . 481412122122LDm式中 2炉料密度，不同的炉料有不同的密度，其中型铁矿的密度最大，为 4.5 t/m3则溜槽和炉料的重力G1、G2分别为： kN (2-5)207.1881. 9856. 111gmG kN (2-

40、6)478.1281. 9272. 122gmG溜槽倾动到极限位置45时，如图2-7a所示，耳轴上的扭矩达到最大值。溜槽与炉料的重心到耳轴轴线的距离是L1=0.9925 m。将以上两重力向耳轴轴线简化，简化示意图如图2-7b所示，可得U型驱动臂施加的扭矩T1为： kNm (2-7)535.214sin)(1211LGGT由耳轴上的扭矩平衡得到曲柄a施加在耳轴上的扭矩T2为： (2-9)45sin221LFTTT式中 FT曲柄 a 施加在耳轴上作用力，kN L2曲柄 a 的中心距见图 2-9，m由式(2-7)可得： kN (2-10)512.1004sin3 . 0535.214sin4sin2

41、122LTLTFT在水平面内，曲柄a在回转支承内圈的滑动槽内滑动时有滚动摩擦力。第 2 章 无钟炉顶布料器设计19取软钢与软管之间的滚动摩擦力臂为0.5mm，取d=100mm，则摩擦力f为： kN (2-11)0.011.005dTNKfF(2)轴承的支反力 滑动轴承的宽度较大，将支反力的作用点取在滑动轴承的中点。并且由(图2-7b)有下列各式： ： (2-12)0zBM0200)(150)200456(211GGFFzT ： (2- 0zF02121GGFFFzzT13) ： (2-0 xCM01061502fFx14) ： (2-15) 0 xF012fFFxx由式(2-10)、式(2-1

42、1)、式(2-12)、式(2-13)解得：kN， kN， kN， 458.2121zF631.1422zF7102. 01xF7152. 12xFkN。(3)确定危险截面 耳轴在水平面内和垂直面内都受弯矩作用，B、C截面内的弯矩如下： kNm (2-16)137. 6200. 0)(21GGMxB kNm (2-17)655.10150. 0350. 0)(z221FGGMxC kNm (2-18)107. 0106. 0 fMzC耳轴的扭矩图如图2-7c，在水平面内弯矩如图2-7d，在垂直面内弯矩如图2-7e。从这些图中可以看出，耳轴C截面内的弯矩达到最大值，属于危险截面。C截面内的合成弯矩

43、为： kNm (2-19)656.1022czcxcMMM(4)耳轴强度计算 由于耳轴悬挂溜槽在高炉内部工作，故耳轴应该具备耐高温的能力，耳轴材料选37SiMn2MoV21，并进行调质处理。其机械燕山大学本科毕业设计（论文）20性能见表2-2。表 2-2 耳轴材料机械性能抗拉强度b屈服点s弯曲疲劳极限-1扭转疲劳极限 -1许用静应力+1许用疲劳应力-1880700425245352236283由文献22得耳轴的轴径d按弯扭合成计算式为： (2-20)2222r134()()(1)32MTMTdW式中 M轴截面合成弯矩，Nmm 根据转应力变化性质确定的校正系数，取最大值=1 T轴截面转矩，Nmm

44、 耳轴内外径比值，Dd取 D=150mm，d=360mm，计算得：。r325.98MPa经过对耳轴校核，满足第三应力强度条件，故而该耳轴满足使用要求。2.3.2 齿轮及减速电机(1)驱动力矩的计算 溜槽和炉料的重力对旋转中心产生的偏心力矩可按下式计算： (2-21)1211)RGGM （式中 R1溜槽和炉料重力作用点至旋转中心的距离，m偏心力矩对推力向心轴承产生的附加载荷为： (2-22)21dMP附第 2 章 无钟炉顶布料器设计21式中 d2推力向心轴承的平均半径，m附加载荷产生的摩擦力矩按下式计算 (2-23)2/21dPMm附式中 滚动摩擦系数，根据文献31取 0.02。作用在旋转圆筒轴

45、承上的轴向载荷为： (2-24)预FFGGGGFT4321式中 G3旋转圆筒的重力，N G4外齿式四点接触球转盘轴承重力，N F预轴承预紧力，根据文献32该力为 G1、G2、G3、G4、FT之和的 0.35 倍。轴向载荷产生的摩擦力矩为： (2-25)2/22FdMm上述计算的是齿轮传递的静力矩，但是由于布料器启动频繁，同样要频繁的改变转向，从而在设计齿轮和选择减速电机时必须考虑惯性力矩，它主要由以下两部分组成。其一，旋转圆筒，轴承的惯性力矩按下式计算： (2-26)(211IIIMd式中 I1旋转圆筒的转动惯量，kgm2 I2轴承的转动惯量，kgm2 旋转圆筒角加速度，一般为 00.396

46、rad/s2。其二，溜槽和炉料的惯性力矩为： (2-27)21212)(RmmMd综上所述，旋转圆筒的总驱动力矩为： (2-28)2121ddmmMMMMM经计算得到 M 的大小为 4.717 kNm。燕山大学本科毕业设计（论文）22(2)齿轮参数 溜槽旋转运动驱动电机的转速n一般为1440 r/min，旋转圆筒的转速虽然可调，但常常固定在79 r/min的范围内，主流布料器通常选择标准平行斜齿轮减速器，分配给大小齿轮的传动比在3.64.8之间。据上述条件可以按文献23中关于“渐开线圆柱齿轮传动的设计计算”确定齿轮的主要参数，确定啮合齿轮的主要参数，进行啮合齿轮强度的校核。通过计算得到齿轮的主

47、要参数如表2-3所示。表 2-3 齿轮参数名称齿转盘轴承外齿圈小齿轮材料42CrMo40CrNiMo热处理调质渗氮调质表面淬火齿面硬度4854 HRC5662 HRC模数 m10 mm齿数 z17442齿宽 b100 mm110 mm(3)减速电机的选择 选择SP系列斜齿轮减速电机时，必须明确减速电机的输出转速或传动比i1及电机功率P、减速电机的使用系数fB。这些参数的确定过程如下：由于总传动比，所以。电1609/144042/174121iiii64.381i机输出转矩为： kNm (2-29)03685. 0)8 . 0160(717. 4)(13iMT式中 1传动效率则电机功率为： kW

48、 (2-30)556. 555. 903685. 0144055. 93nTP使用系数fB综合表达了工作母机的应用及工作状况。如果要使减速电机的齿轮经久耐用，那么工作母机的实际使用系数fBL应小于使用系数fB，即：fBLfB。布料器旋转电机所承受的载荷均匀，每小时改变转向的次数在60次左右，据此根据文献24可得fBL=1.3。根据以上参数选择电磁制动三相异步电动机，电机型号是：Y132-4B5，功率7.5 kW。标准减速器的型号是：SPFA97Y4132MOS-H5，传动第 2 章 无钟炉顶布料器设计23比为。最后得旋转圆筒的转速为：64.361i r/min48. 9)(21iinn旋2.3

49、.3 曲柄滑块机构对于中小型高炉的无钟炉顶布料器溜槽倾角一般在040之间，为了保证溜槽倾动的灵活性，计算取溜槽的最大倾角42，溜槽和曲柄a的两个极限位置如图2-9(a)，其中曲柄的中心距L2不宜太短，根据杠杆原理，太短的话，必使回转支承的驱动力太大；中心距也不宜太长，否则使得图2-3中的滑动槽太长，最终就使得回转支承的直径太大。此处中心距取300 mm。则回转支承上下移动的距离S3为200.74 mm。与图2-9(a)对应的回转支承也有两个极限位置，如图2-9(b)所示，(其中滑块代表回转支承)。为使得曲柄b的转角最小，曲柄b的两个极限位置对称处于水平面的上下。通过作图法并圆整，最后确定曲柄b

50、的长度L4和连杆的长度L3分别为300 mm和400 mm，曲柄b的转角2在图示位置的大小为38.94。 (a) (b) 图 2-9 曲柄滑块机构的极限位置燕山大学本科毕业设计（论文）242.3.4 倾动轴驱动系统(1)选择电机型号 作用在曲柄滑块机构上的作用力主要有三类，其一，曲柄a对回转支承的反作用力，溜槽倾角最大时，此力最大；其二，各传动部件的重力，如无齿式四点接触球转盘轴承，托圈，滚轮，连杆自重；其三，摩擦力，回转支承导向槽与旋转圆筒导向键之间的滑动摩擦，滚轮与导轨间的滚动摩擦。通过粗略的计算，后两类力的总和不到前者最大时的十分之一。另外由上文可知FT就是溜槽倾动的总驱动力，为了安全起

51、见和简化计算，认为作用在四个连杆上的总作用力为1.2FT，方向垂直向下。由图2-9，当溜槽倾角最大时，连杆与水平面夹角19.47，则单个倾动轴受到的扭矩为：kNm (2-31)256.1347.19cos3 . 0114.7847.19cos2 . 1215LFTTq螺旋布料时，溜槽倾动速度连续增大或连续减小，要求电机有较好的调速特性，故选择交流伺服电机，转速1500 r/min。通常溜槽的转速范围为08/s，换言之溜槽以最大速度达到最大倾角需要5秒左右的时间。由上文可知在这段时间内倾动轴要转过38.94的角度，则倾动轴转速nq为1.686 r/min。那么传动比iq为889.680。电机需要

52、输出的扭矩如下： kNm (2-32)0351. 0)680.88985. 0(256.132)(223qqiTT式中 2传动效率则电机功率为： kw (2-33)513. 555. 90351. 0150055. 9150031TP根据上述参数以及日本三洋电机的选型参数，选择型号为P60B22700，额定功率为7.5 kw，转速为1500 r/min的电机。(2)大减速器 SK系列斜齿轮减速器具有体积小、垂直输出，节省空间、效率高，输出扭矩大，启动平稳、齿轮使用寿命长，能方便正反转等特点，无疑是无钟炉顶布料器溜槽倾动的理想传动装置。第 2 章 无钟炉顶布料器设计25由图2-5可知减速机的两端

53、都需要有输出，故选择可以扭力臂安装(轴装系列)的减速器，并且其输出轴是实心轴，以便与联轴器的连接。该系列减速机的选型要满足工作母机的实际使用系数fBL应小使用系数fB的选择原则。布料器一般每分钟布一批料，紧接着改变转向准备布下一批料。每小时改变转向(启停)的次数在60次左右；中等载荷并伴有一定冲击，由文献35可知：fBL=1.7。根据该参数以及与之匹配电机的参数可选择参数如下的减速机：型号：SKFA375，功率：7.0 kw，输出转速：11 r/min，输出扭矩：6.38 kNm，传动比：iq1=89.98，使用系数：fB=1.8。(3)小减速器 TB型减速器是采用模块化设计而成的垂直轴减速器

54、，结构紧凑、使用方便；功率、传动比、转矩范围大；配置形式多样。广泛用于矿山、冶金行业。选用过程如下：传动比要求，小减速器分担的传动比iq2为： (2-34)888. 998.8968.88912qqqiii功率要求，小减速器的额定功率PN应满足： kW (2-35)4 .328 . 12 . 10 . 20 . 15 . 743211ffffPPN式中 f1工作机系数 f2原动机系数 f3减速器安全系数 f4启动系数由于减速机的功率比电机的功率大很多，并且减速器的转速很小，故不校核最大转矩和热平衡功率。据上选择减速器的型号是：TB2SH410B，其传动比是10，功率46 kW。2.4 布料器的

55、冷却、润滑和密封在高炉生产中,无钟炉顶布料器起动制动频繁、承载大，还受到高温荒煤气的冲刷和侵蚀。采用冷矿装料时，炉喉煤气温度在200300C之间；燕山大学本科毕业设计（论文）26采用热矿装料时，炉喉煤气温度在300400C之间。因此，旋转溜槽布料器长期处于繁重和恶劣的条件下工作，若得不到及时有效的冷却、密封和润滑，将显著缩短其使用寿命，并严重影响高炉的正常运行25。通常炉顶温度应控制在150300 C,布料器箱体内温度小于70C，布料器箱内正常控制温度50C26,实际上为了布料器内的润滑油能稳定的工作，箱体内的温度必须不大于40C。2.4.1 布料器的水冷系统和氮气系统布料器的冷却一般采用水冷

56、和气冷相结合的冷却方式，最初的布料器只在水冷盘上通冷却水，而旋转圆筒的外壁主要依靠氮气冷却，这就使得传热面积太小，氮气的消耗量大。为了增加传热面积，在旋转圆筒的部分内壁和部分外壁上也通入冷却水，如图2-10所示。使用氮气的部件有两处，一处是布料器，另外一处是料罐上安装的雷达需要氮气吹扫。布料器使用的冷却水和氮气的参数：布料器的进水口压力0.30.4MPa，流量为56m3/h，水质需要过滤，最大颗粒直径不大于0.2m，常温进水，进出水口的温差不大于15。冷却水质为普通工业用水，冷却水的最大流量6m3/h，视传动箱内温度的高低，增减供水量。布料器的氮气进口压力0.180.20MPa，流量2030

57、m3/h，氮气温度：常温。第 2 章 无钟炉顶布料器设计271固定圆筒、2冷却水管、3箱体、4旋转圆筒、5密封、6密封罩、7冷却水罩、8冷却水出口、9水冷盘、10冷却水入口图示说明： 高炉煤气， 冷却水图2-10 布料器水冷系统方案布料冷却水的流程路线图为：进水口水冷圆盘水道水冷圆盘双层箱体箱体上部冷却水管固定圆筒与旋转圆筒夹缝水冷圆盘水道出水口U型水封回水池。无钟炉顶装料设备的布料器连接在高炉封罩上部，与高炉相通，会有荒煤气窜入布料器内部，在各部件上结灰，影响布料器系统的传动和润滑，所以在布料器与高炉相通的回转面，增加浮动密封式靠氮气吹动来完成的，由于是靠氮气吹动密封圈来密封，所以氮气用量并

58、不是很大，但氮气的压力一定要保证，压力也不能太高，否则U型水封将被击穿，不能封住高炉煤气。在布料器的箱体外部装有一个小型氮气罐，有两个进口，一个进口与氮气总管相联结，另一进口可与蒸汽总管相联结，目的是在氮气突然没有的时候，可以用蒸汽暂时代替，但不要长期使用蒸汽（如果氮气可以充分保证此口可以用盲板封死） 。氮气罐上要安装压力表和流量表控制氮气压力和流量。氮气罐的出口已与应通氮气部位相联结。另外在布料器箱体上还有一氮气接口，此氮气接口为事故氮气接口，与氮气总管相联结，并加装阀门，平时阀门处于关闭状态，在布料器温度突然升高时，可打开此阀门进行降温。平时此氮气口应处于关闭状态。2.4.2 布料器的润滑

59、旋转圆筒耳轴孔处的滑动轴承只能采用稀油润滑，由于滑动轴承要承受耳轴的压力，并且润滑油从轴承端盖内的填料密封圈与耳轴的间隙流出时要有一定的压力，以起到密封作用，故要保证润滑油具有足够的压力。由于旋转圆筒的旋转，必须在旋转圆筒上安装辅助油泵、油缸以及辅助管路。燕山大学本科毕业设计（论文）28布料器内其余传动部件的润滑可采用干油润滑，也可采用稀油集中润滑系统。干油润滑的特点是：流动性差，内摩擦阻力大，所需工作压力高，无法形成动压油膜；润滑脂难以有效迅速扩散到整个润滑面；受污染后难以净化。稀油润滑的特点是：工作压力低(一般在2 MPa以下)，成本相对较低，其流动、散热性能较好，但如果对其各润滑点的流量

60、控制不好，易污染环境。为了避免环境污染以及减少润滑的损耗，在布料器内设置了润滑油收集装置：伞形罩、润滑油导流板，润滑油出口。部分润滑油由旋转圆筒外壁和水封外壁经伞形罩流到润滑油导流板上，润滑油导流板有一定得斜度，以便润滑油顺利流出布料器。部分润滑油直接滴落在润滑油导流板上。如滚轮与导轨间的润滑油，曲柄连杆机构铰链处的润滑油。采用稀油润滑的一个好处是可以通过润滑油对布料器内传动部件进行冷却，减少氮气的使用量，氮气仅起均压作用。2.4.3 旋转圆筒与水冷盘、固定圆筒间的密封高炉生产中，绝对不允许高炉煤气蹿入布料器箱体内，一旦煤气窜入布料器内，将会引起如下严重后果：(1)由于炉喉高炉煤气温度高，煤气