【《铁合金生产中的摇包装置的结构设计》6800字（论文）】

铁合金生产中的摇包装置的结构设计目录TOC\o"1-3"\h\u8905摘要 127731绪论 170461.1国内外发展现状 2242961.2设计的意义 311671.3设计的目的 450261.4摇包装置的结构简介 5143351.5摇包的主要参数 584712设计方案的选择与确定 6170132.1设计工作的运动分析 6273532.2相关结构的分析与比较 694432.4设计工作的内容分析 1048863摇包装置主要设计内容 1245373.2摇架的尺寸设计 1280793.2.1摇架外圈结构设计 13267473.2.2摇架内圈结构设计 17182653.2.3摇架耳轴支撑座 2028283.2.4小结 22142093.3支撑部分设计 22169353.3.1支撑轴的设计 22199873.3.2轴承的选用 25212243.3.3键的设计及校核 2615523.3.4偏心盘的设计 27136483.3.5支撑轴结构 27256863.4非关键设计 2772033.4.1动力及传动部分设计 27298343.4.2摇包装置的改进 27165413.4.3密封及润滑 2878044参考文献 28摘要摇包装置是摇包法生产铁合金的一种重要工艺设备，在铁合金冶炼尤其是中低碳锰铁的生产方面得到了广泛的应用。摇包装置由动力部分、执行部分、传动部分、连接部分以及控制部分等组成，本设计将依据由青海某企业提供的铁水包图纸进行摇包装置的结构设计。关键词：摇包装置；结构设计；铁水包1绪论摇包装置是是摇包法生产铁合金的一种重要工艺设备，在铁合金的生产中得到了广泛的应用。摇包装置通过电动机带动偏心回转装置使摇架做偏心回转运动，铁水包放在摇架上，通过偏心转动使其内的金属液扩散并分布均匀，可提高后续铁合金产品的质量。1.1国内外发展现状20世纪50年代，瑞典的埃克托普和卡林研究了一种新型冶金反应器，使用偏心旋转的钢包，来实现熔体的搅拌，这种反应器被称为摇动钢包[1]。他首先将该技术应用于铁水脱硫，效果显著。并于1959年在美国申请了专利。这种摇包利用了曲柄连杆机构的原理，使摇包中心做圆周运动，而摇包上其他点做椭圆运动。但这种摇包的设计复杂，需要通过额外的设计来避免摇包自身绕中心轴旋转。后来，德国的GHW公司改进了摇包装置，开发出了三角形摇架和马蹄形框架的摇包[2]。1970年日本太平洋金属公司首次将其应用于铁合金的生产，即"电炉-摇包工艺"，生产中低碳锰铁[3]。至此，摇包在中低锰铁和铬铁生产中得到了广泛应用，导致相应能耗显著降低[4,5]。1962年神户钢铁公可的尼崎厂对此法作了改进，研制成功40t的正逆双向回转摇包，又称DM法(Duo-VorticalMixingCoverter)[6]。但双向摇包在变向的瞬间对摇架的负荷较大，缩短了设备的寿命，所以，目前普遍采用单向摇包。图1-1500公斤立式摇包60年代以来，我国的一些厂也开始应用摇包工艺。上海铁合金厂在1971年初，做了高炉富锰渣加硅铁(或硅锰)和石灰在摇包中直接生产中低碳锰铁的试验后，又在1976年完成了摇包炉外预炼试验，并于1981年正式应用于工业性生产。上海申佳铁合金有限公司在1982年开始用摇包工艺生产中低碳锰铁。湖南铁合金厂于1996年1月进行摇包回收中锰渣中锰的工业试验，取得了理想的效果[7]。近年来，随着钢铁企业对中碳锰铁和中碳铬铁需求的扩大，摇包精炼工艺在铁合金行业的应用已越来越广泛。铁合金生产中使用的振动钢包尺寸随着矿热炉尺寸的增大而增大，如中国广西八一铁合金厂使用的20m3大型振动钢包[8]。1.2设计的意义使用摇包装置进行铁合金精炼不需要炉内冶炼过程充分利用了废渣的热量。在摇包冶炼的过程中无废水、废气产生，不污染环境。生产的产品成本较低。操作过程简单、方便、安全可靠。虽然摇包可以提供良好的搅拌条件，但是目前摇包的应用还局限于铁合金领域，在钢铁等领域应用较少。随着冶金技术的精进和新工艺的开发，摇包在冶金工艺中的应用前景十分广泛。我国的钒钛磁铁矿储量丰富。目前75%~85%的钒产品的主要来源就是钒钛磁铁，钢厂主要用转炉吹炼法处理含钒铁液[9]，探索利用摇包处理含钒铁液的工艺路线，具有重要意义。南非的Highveld公司在1961年就开始进行摇包处理含钒铁液的试验[10]。与转炉吹炼法相比，摇包吹炼法可以提供更好的动力学条件，并且在提高钒的回收率的同时，还减少了铁的损失。此法可以为我国冶炼钒钛磁铁矿的钢厂提钒提供借鉴。1.3设计的目的本设计是根据由青海某冶金公司提供的铁水包，设计专供该铁水包使用的摇包装置。随着企业的发展，该企业对中碳锰铁的需求逐步扩大，利用摇包装置生产中碳锰铁，虽然开发设计难度较大，但它潜在的经济效益与社会效益十分显著，与过去的传统方法相比，不论是生产成本、生产效率还是产品的质量都有明显的优势[11]。图1-2铁水包外形1.4摇包装置的结构简介摇包装置有一下几个主要组成部分：电机、传动装置、支撑部分、偏心摇动装置以及摇架和摇包。摇包示意图如图1-3所示。图1-3摇包设备示意图摇架是由一个主动偏心轴以及两个从动偏心轴所支撑，装有铁水的铁水包放至与摇架上。通过电机的转动，带动三个偏心轴使摇架进行偏心摇动，从而使摇架上的摇包进行无自转的圆周平动。1.5摇包的主要参数摇包的主要参数为青海某冶金企业提供。摇包高1700mm，外径为1800mm，摇包内耐火材料厚度为400mm，摇包内径为1000mm。耳轴长160mm，直径为110mm。据现场考察摇包空包重量为6.3吨，摇包总重为8.5吨。图1-4摇包参数图2设计方案的选择与确定2.1设计工作的运动分析图2-1摇包装置结构示意图摇包装置的传动原理：摇包装置是动力部分通过带动主动轴，主动轴在通过偏心回转装置，使摇架做偏心运动，铁水包放置与摇架上，由摇架带动铁水包内金属液发生转动和摇动。2.2相关结构的分析与比较目前，摇包的主要形式有曲柄连杆式、三角型和马蹄型三种。其中曲柄连杆式为摇包的雏形，如图2-2所示。从动轴的相关设计及相关计算。摇架内圈由H型钢围绕用来固定摇包结构如图3-2所示摇包装置主要由主要由钢包、回图2-2连杆机构示意图后来德国的m.b.h公司改进了摇包得到了三角型摇包，如图2-3所示图2-3德国m.b.h公司改进的摇包M.b.h公司改进的摇包通过一个三角型支架固定铁水包，不需要锁卡装置固定，摇架和钢包可以通过偏心销在圆型的轨道上运动，偏心销上并没有任何负载。它的转速和偏心距都很方便调整。后来，该公司有发明了马蹄形摇架的摇包，如图2-4所示。图2-4马蹄形框架摇包其中曲柄连杆式设计比较复杂，且必须通过额外的设计来避免摇包绕自身中心轴转动。马蹄型摇包也同样面临着设计难度较大的问题，且生产成本较高，而三角型摇架的摇包基本结构相对简单且能够满足使用需求，故本设计将基于三角型摇架进行设计。摇架主体结构由型材搭建，焊接而成，表面覆盖钢板。可极大的节省材料，由于主体结构选用型材，摇架的结构强度得到了保证。、电机和齿轮组成。钢包放在可以在2.3基本参数的确定图2-5铁水包尺寸图纸摇包装置的主要基本参数包括：钢包的重量、体积、容积、有效容积及钢包内铁水的重量；摇包装置的偏心距转速；摇架的重量及尺寸为设计内容。根据某企业提供的铁水包图纸并根据实际情况对铁水包的尺寸进行修订，通过计算可得知铁水包的有效容积为1.02m³，铁水占铁水包有效容积的三分之一，铁水密度为7138kg/m³，耐火材料为硅砖，密度为1.8t/m³，根据相关资料耐火材料一般厚度为300mm~400mm，此铁水包耐火材料厚度为400mm。预设摇架重量为1.5t，带液体铁水包总重量为8.5t。转速为55r/min，偏心距为50mm。铁水包的总重量=铁水包包体+铁水包内耐火材料+铁水包内铁液重量距现场考察得之铁水包空包重量为6.3t左右。V=1.3=1.02m³式中h-为铁水包内衬的高R-为铁水包内衬的半径铁水包内铁水占铁水包有效容积的三分之一M==2141kg式中ρ-为铁水的密度由上述可知铁水包的总重量为8.5t表1摇包转速及偏心距参考表序号炉膛直径/MM偏心距/MM转速/RQM18506055285040~500~70314508045~474169060~1006051700-40~606200012046~52721707024~722.4设计工作的内容分析摇包装置主要由主要由钢包、回转机构、偏心回转装置、电机和齿轮组成。钢包放在可以在平面内偏心旋转的框架上。它们可以在电机驱动的三个偏心轴上不旋转地偏心旋转。摇包装饰通过摇动钢包，使钢包内的金属混合液匀速摇动使其均匀分散。需确定摇包装置的基本结构、传动方式、动力系统等。本设计着重设计摇架的基本结构和支撑部分，分析摇架的载荷、总重量、结构的安全性和可靠性等问题。动力部分和传动部分由组内其他成员进行设计。铁水包总重量为8.5吨，其上有一对耳轴。摇包与摇架可通过耳轴定位，如图2-6所示。图2-6摇包耳轴与摇架定位图铁水包底部有5个吊耳也可用于摇包与摇架的定位。如图2-7所示。图2-7摇包吊耳与摇架内圈配合关系支撑部分为三点支撑，由一个主动轴，两个从动轴分别支撑三角形摇架的三点。主动轴连接电机。图2-8摇包装置支撑俯视图3摇包装置主要设计内容本设计为摇包装置的结构设计，本次设计将本着轻量化原则，尽量做到在减轻整个装置的重量的同时，能够使整个装置可以安全可靠的运行。3.1摇包的尺寸图2-5铁水包尺寸图纸摇包的外径为1800mm，高1700mm，耳轴直径为110mm，两耳轴间距为2260mm，铁水包壳直径为1940mm。3.2摇架的尺寸设计本摇架是为图2-5的摇包设计，为此摇包专用的摇包装置。摇架的基本外形尺寸是基于铁水包的尺寸通过三维建模得出。尺寸如3-1所示图3-1摇架尺寸图3.2.1摇架外圈结构设计摇架厚度为400mm。由槽钢构成。槽钢通常长度为5~19m，但槽钢过长会导致运输不方便，而且生产难度也会加大，所以选用的槽钢长度为6米。槽钢20a的高为200毫米，宽为73毫米，可搭建两层符合使用，选择20a型号的槽钢刚好合适，20a型号槽钢的理论质量为22.637kg/m，双层槽钢结构要比单层结构稳定，两层槽钢可通过焊接的形式链接。图3-2槽钢选用参考表图3-3槽钢在摇架中的位置图3-4双层槽钢结构图3-5槽钢应力图根据《机械设计手册》中表3-1-79可查得20a号槽钢的基本参数单位长度重g=22.637kg/m=0.22637kg/cm，截面模量W=178cm³，查得普通槽钢的许用应力σ，普通槽钢材料为Q235型号的碳素钢，结构的许用应力[σ]=1400kg/cm²。承受的最大弯矩为M式中L—为槽钢长度(L=3000mm)G—为计算最大均布载荷g—为单位长度重最大正应力为σW计算最大均布载荷为G−g=W×σ×G=178×1400×=22.37kg/cm=2237kg/m即允许在3米的范围内均匀放置4788kg/m的重量求集中载荷：W178P=(249200−=3289.67kg即3m长的20a号槽钢跨中可承受3289.67kg的重量。铁水包总重量为8.5t，摇架结构为三角形，每侧承受1/3的重量。则每一侧承受的重量为1/3所以20a号槽钢强度足够。槽钢为双层对扣结构，这样的结构可增加结构的稳定性，而且减轻了摇架的重量使得设计更加的轻量化，两个对扣的槽钢上方盖上宽77mm，厚6mm的钢板用于焊接，焊接方式为角焊。在摇架的低盘部分所用到的槽钢总长度至多为40米，由《机械设计手册》查得20a号槽钢的理论质量为22.674kg/m。3.2.2摇架内圈结构设计图3-6H型钢在摇架中的位置铁水包高1700mm，直径为1800mm。铁水包的重心位置距铁水包底部800mm处，故摇架内圈深度为800mm。根据摇包直径可得摇架内圈直径为1800mm，摇架内圈由H型钢构成，由于铁水包上有5个吊耳，所以需要将内圈的H型钢分为5段，做出5个定位槽，以便与铁水包相配合的同时，也能起到固定的作用。根据摇架外形尺寸选择200×200型号的H钢。图3-7H钢型号参考表铁水包在偏心回转时产生的离心力为F=mω²rω=F=8500×(式中n-为转速(n=55r/min)r-为偏心距(r=50mm)m-为摇包重量(m=8500kg)根据《机械设计手册》中表3-1-82可查得200×200型号H型钢的基本参数单位长度重g=49.9kg/m=0.22637kg/cm，截面模量W=472cm³，查得普通H型钢的许用应力σ，普通H型钢材料为Q235型号的碳素钢，结构的许用应力[σ]=1400kg/cm²=140MPa。σ===12407Paσ<[σ]铁水包在转动时产生的转动惯量：J=6906物体绕回转轴产生的转动惯量m-铁水包重量偏心距50mm图3-8铁水包转动时产生的转矩和力铁水包转动时产生的转矩为:T=ε=T=6960×115=800400ε-铁水包角加速度(电机启动速度为3秒)铁水包转动时产生的力F=铁水包直径H钢材质为Q235钢，Q235屈服极限为235MPa，H钢的截面积为63.65cm²由拉伸/压缩强度的计算公式可得σσ200×200型号的H钢满足使用要求。3.2.3摇架耳轴支撑座a)耳轴支撑座侧视图b)耳轴支撑座正视图图3-9耳轴支撑座外形结构图图3-10耳轴支撑座内部结构俯视图耳轴支撑座尺寸由铁水包设计得出，尺寸如图3-9所示。耳轴支撑座内部由7根尺寸不同的槽钢组成，分别为：长300mm的18b号槽钢一根，长600mm的10号槽钢4根以及长395mm的10号槽钢2根。耳轴支撑座在摇架上对称分布，两边各一个。相较于整体的支撑柱，这样的由型材搭建的结构，总体重量更轻，且生产难度底，产品成本也很低。图3-11槽钢选用尺寸表起到主要支撑作用的槽钢为4根长395mm的10号槽钢和长300mm的两根18b号槽钢。选10号槽钢进行强度校核。槽钢材质为Q235钢，许用弯曲应力为158MPa，许用剪切应力为98MPa，许用挤压应力为235MPa。由于槽钢竖放，其受的剪切力可忽略不计，Q235屈服极限为235MPa，槽钢的截面积为12.74cm²。σ=85000=16.69MPa槽钢截面积F-铁水包压力最危险的10号槽钢强度足够，可得该结构的强度足够使用。3.2.4小结摇架部份整体为型材搭建而成，在保证了安全性和可靠性的前提下，做到了轻量化设计。铁水包通过耳轴支撑座以及摇架内圈的定位槽进行定位，可准确的将铁水包放置在摇架上，其中定位槽承担了铁水包摇动时产生的扭力以及离心力，而耳轴支撑座部分仅受摇包的压力，所以对耳轴支撑座的强度要求不需要考虑剪切力所产生的影响。3.3支撑部分设计3.3.1支撑轴的设计1)选择轴的材料选择轴的材料为45钢调质处理。由《机械设计手册》表7-1-1σs=295MPaτ-1=140MPaσ-1=250MPa2)初步确定轴的最小直径dd=126×0.556=70mmn-偏心转速(55r/min)由动力部分设计得出p=9.44kw查《机械设计手册》取A=126。3)弯扭强度计算 dd式中弯矩M=12FL=12×13m×4π2n偏心轴实际有一键槽，应把dt放大8d=83.5(mm)4)引入安全系数使用dtστ Sσ Sτ S=S图3-12公式中的参数由《机械设计手册》表7-1-1σs=295MPaτ-1=140MPa，尺寸及截面形状系数εσ5)支撑轴的校核根据实际经验，考虑到摇包装置用于重载冶金工业，选取安全系数SH1、放大d到80-100，取d=80mm，εσστSSS2、D−dkSSS3、D−dkSSS4、在3的基础上将公式视为自变量为d的函数求dSS已知S=2.5Sd≥84.7mm>1.08装配工艺和设计支撑轴为阶梯轴，轴左端是装配偏心盘的部分，偏心盘右边为深沟球轴承，在使用过程中，需考虑到轴承的润滑以及安装外置支架等问题，需留出足够的空间。轴的最右端为调心推力滚子轴承，但单个调心推力滚子轴承不能完全承担轴向力，所以需要在深沟球轴承处在安装一个调心推力滚子轴承，两者之间可以用套筒定位。最右端的调心推力滚子轴承需要安装支架固定。3.3.2轴承的选用1)承受径向力 C=fℎ=40.898KNP=X工作250天/年，两班制工作，工作十年ffffffP根据以上数据，选取标准件深沟球轴承d=90D=140B=242)承受轴向力C=P=X工作250天/年，两班制工作，工作十年ffffffP根据以上数据，选取标准件调心推力滚子轴承d=70D=150T=483.3.3键的设计及校核选用A型平键，与偏心盘连接处的键的尺寸b×h×l=25×14×138。下式中PPP键连接传递的转矩T=9550键工作面压强P=P=2T-转距D-轴的直径k-键与轮毂的接触高度，平键k=0.4hl-键的工作长度，A型l=L-b键连接强度满足要求。3.3.4偏心盘的设计已知摇架传动轴安装孔为通孔，孔径为300mm，孔深为200mm，摇架由1主传动轴及2从动轴带动，重力及离心力均由3个轴均分承受，设计偏心盘直径300，长200，轴肩定位摇架，高度为30mm，厚度为42mm，偏心轴偏心距为50mm，偏心圆留一直径为76mm的通孔，偏心盘为毂部分，在通孔上应留下键槽。3.3.5支撑轴结构支撑轴最小直径为84.7，圆整为85mm，长200mm，最小直径处与偏心盘配合，轴向固定采用轴肩定位，轴肩处直径为90mm与轴承内径一致。轴承固定也采用轴肩定位，第二处轴肩位置的直径不能小于轴承的最小安装直径，支撑轴末端直径为90mm，与轴承内径一致，长度为48mm。3.4非关键设计本次设计在实际应用时需要考虑诸多问题，但很多问题不是本次的设计重点，故不写出详细的设计过程。3.4.1动力及传动部分设计在设计动力及传动部分时，应考虑到摇包装置的载荷较大，所以安全性