1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 300t 转炉倾翻机构设计 一、 综述 在冶金企业中，冶金转炉一直是企业的重要设备；而在冶金转炉设备中，倾翻机构是实现转炉炼钢生产的关键设备之一 13。 其配置形式可分为落地式、半悬挂式和全悬挂式 11。 300t转炉倾翻机构的工作特点是减速比大，达到数千；其次倾翻力矩大，倾翻力矩可达到 650 t m；而且倾翻机构启、制动频繁，承受较大的动载荷。由于转炉常常要根据生产要求停在某一个角度，方便进行 兑铁水、装料、取样、测温、出钢等操作 ，倾翻机构应该具有连续回转能力，可停在任 意倾角位置，而且能与氧枪、钢水罐车等设备联锁；在转炉生产过程中电动机、齿轮、
2、制动器等能安全可靠地运转，即使某一部分设备发生事故，也要有能力继续工作，维持到这一炉冶炼结束；能适应高温、动载、扭振的作用，具有较长寿命；结构紧凑，重量轻，机械效率高，安装、维修方便 11。设计一个性能优良，结构合理的倾翻机构对于提高转炉的运作效率和安全生产有着举足轻重的作用。 炼钢转炉在国民经济中的地位 钢铁工业作为国家的支柱产业，它的发展先进程度一直被用来衡量国家强盛与否的重要标准。解放初期我国钢铁工业一片空白，技术相 对于国外落后很多。我国花费了大量的物力和财力发展钢铁工业，建造了钢铁工厂，培养钢铁技术人才，加大对钢铁院校的投入。经过几十年的建设，我国的钢铁工业有了长足的发展， 1996
3、 年，中国钢产量实现了超亿吨的历史性突破，同时跃居世界粗钢产量第一。目前，中国钢铁总产量相当于世界前十大产钢国的总产量之和！中国粗钢产量分别是美国和日本的 5 倍。中国炼钢生产近十年来能够持续、稳定、快速、健康发展的动力主要有两个原因，一是中国属发展中国家，国民经济持续发展对刚才市场的需求不断增加；二是我国一直注意炼钢生产结构的调整与优化，适应 现代化生产发展的要求。 对于调整优化炼钢生产结构，我国一直走一条具有中国特别的现代化建设道路。最重要的就是加快淘汰落后工艺与装备的进程。比如过去我国常常用平炉炼钢，但近三十年发展起来的新的炼钢方法 氧气转炉炼钢法，具有冶炼时间短，生产效率高，投资少，成
4、本低，建设速度快等显著优势，平炉钢产量占钢总产量的比例已由 1990 年的 19.83%下降到了 1988年的 4.74%， 2000 年已全部淘汰。转炉的结构调整，使得我国的炼钢产业产生了质的飞跃，促进了各行各业的发展，提升了我们的综合国力。 倾翻机构在转炉中的作用 倾 翻机构是转炉的主体设备，其作用可以形象地比喻为联接动力系统与转炉主体的桥梁，但是其作用又不仅仅局限于如此。第一，倾翻机构最重要的作用就是把动力系统的动力输送到炉体，用于满足炼钢时兑铁水、装料、取样、测温、出钢、出渣一级返回等工序要求，此外，还要与吹氧管、烟罩提升机机构保持一定的连锁关系，防止因为失误操作而引起生产事故。第二，
5、倾翻机构具有平衡转炉倾动时引起悬挂减速机壳体旋转的旋转力矩。第三，倾翻机构有较强的备用能力，即使倾翻机构的局部设备发生故障，也能使转炉继续工作，直到一炉冶炼结束。第四， 能够防止转炉过载， 引起扭力杆的损坏。当倾动力矩超过正常力矩的 三倍时，倾翻机构采取停止保护状态，扭力杆不再承受更大的扭矩。 二 .转炉倾翻机构分析 转炉倾翻机构的设计原则要求： 1、倾翻机构应该让转炉满足炼钢生产空间方位上的操作要求。运作着的转炉要进行兑铁水、装料、取样、测温、出钢、出渣以及返回等工艺操作的，因此转炉要进行回转式运动，而且也需要平稳准确地停止在任意需要的角度位置上。此外还要与吹氧管、烟罩提升机构等操作保持一定
6、的连锁关系，以免发生因机械或者人为的失误而产生生产事故。 2、倾翻机构应该让转炉满足炼钢生产速度上的操作要求。转炉在吹炼过程中要根据生产需求而相应改变倾翻速度。比如转炉在出钢、出渣、测温和取样时，要求平稳缓慢的倾动，以避免钢渣猛烈冲击而发生炉液严重喷溅和溢出；当转炉大幅度倾转时，则应采用较快速度，以节约辅助时间，缩短冶炼周期。 3、倾翻机构应该让转炉满足炼钢生产安全上的操作要求。由于转炉工作对象是高温的液体金属，因此在生产过程中，应避免传动机构的任何环节发生故障。即使一部分发生故障，也要求传动系统具有备用能力，能继续进行工作，直到本炉冶炼结束。 4、倾翻机构应该让转炉满足炼钢生产经济效率上的操
7、作要求。这要使得倾翻机构结构紧凑、占地面积少、效率高、维修方便等。 5、倾翻机构应该让转炉满足炼钢生产性能上的操作要求。当托圈产生扰曲变形而引起耳轴轴线偏斜时，仍能保持各种传动轮副的正常啮合。同时要使机构具有减缓动载荷和冲击载荷的性能。 只有当倾翻机构的设计让转炉满足空间方位、速度、安全、经济效率和性能上的要求，该倾翻机构设计才算是满足了原则性的设计要求。 转炉倾翻机构的基本设计参数： 转炉倾翻机构的基本设计参数有载荷参数 倾动力矩、速度参数 倾动速度。 转炉倾动力矩由空炉力矩 、炉液力矩 、转炉耳轴上摩擦力矩三部分组成。转炉倾翻机构的载荷特点是大扭矩。转炉炉体自重很大，连同炉液一起，整个转炉
8、倾动部分的重量达百吨，最大可大二千吨；而且由于转炉要进行不停地启动、制动动作，所以载荷还需要加上额外的动载荷。因此现实中倾翻机构承受着一个进行生产着的转炉的载荷是十分巨大的，必须要在转炉耳轴上施加几千千牛 *米的力矩才能使转炉进行倾翻动作。不仅如此，有些操作比如刮炉口渣会对机构进行较大的冲击，这些因素在设计计算载荷时也必须考虑到的。优良的载荷计算有助于确定额定倾动力矩值 ，为倾翻机构确定转炉最佳耳轴位置设计提供理论依据。 倾动机构的速度特点是低速度。转炉的转速一般为 0.11.5r/min。因此设计的 300t 转炉倾翻机构的减速比可以达到数千。根据实际生产操作需求， 300t 转炉的倾翻机构
9、的倾动速度应该设计为两种以上。设计慢速为 0.10.3r/min，快速为 0.71.5r/min。 三、转炉倾翻机构方案设计： 转炉倾翻机构方案设计包括倾翻机构布置形式方案设计、倾翻机构驱动方式方案设计和倾翻机构抗扭缓冲装置方案设计。 1、倾翻机构布置形式方案设计： 目前转炉倾翻机构配置形式 主要有落地式、半悬挂式和全悬挂式三种方式。三种倾翻机构各有各的优缺点，应该从实际设计要求条件出发，选择最佳方案。下面介绍下转炉倾翻机构三种配置形式各自的优缺点。 落地式转炉倾翻机构最早采用的一种布置形式。它是将末级大齿轮安装托圈耳轴上，而其他传动齿轮安装在地基上。其优点是安装简便，技术要求低，维修方便 1
10、1。但是它有不少缺点，就是当它运行工作时间久了，容易使托圈变形严重，从而引起耳轴轴线发生较大偏斜，因此会造成某些齿轮上的在载荷力大大增加，使齿轮发生严重磨损甚至折断断裂，造成严重的生产事故。因此，落地式转 炉倾翻机构主要运用于小规模容量不大的转炉上。与本课题设计 300t 转炉倾翻机构不相适应，它无法解决 300t 转炉频繁启动、制动所引起的动载荷缓冲问题，也没法达到 300t 生产容量问题。 半悬挂式是在落地式基础上发展起来的，所以它有落地式的优点，比如安装技术要求低，维修方便等。半悬挂式较落地式的改进，就是它把末级大、小齿轮通过减速器箱体悬挂在转炉耳轴上，而其他传动部分仍安装在地基上 11
11、。但是它的缺点就是占地面积仍然比较大，使得厂房的成本投资也要增大。 直到近年来研制成了最新的形式 全悬挂式。它的特点是整套传动 装置全部挂在耳轴外伸端上。全悬挂优点是：结构紧凑、重量轻、占地面积少、运转安全可靠、工作性能好。全悬挂结构由于整套传动装置都挂在耳轴上，托圈的扰曲变形不会影响齿轮副的正常啮合，因此正常情况下不会让局部齿轮载荷力过大而发生齿轮严重磨损现象。所以全悬挂克服了落地式和半悬挂式的缺点。 2、倾翻机构驱动方式方案设计： 转炉倾动机构驱动方式可以分为电动驱动和液压驱动这两种 11。下面就简单介绍这两种驱动形式的优缺点。 液压 驱动 是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方
12、式 ， 是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传 动原理而发展起来的一门新兴技术 。液压传动的优点有很多，首先它体积小、重量轻，重量只有同功率的电动机的 10%20%；能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速，调速范围最大可达 1 比 2000；换向容易，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；空间布置上彼此不受严格限制；采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；容易实现过载保护。但是液压驱动也有缺点，使用液压驱动对维护的要求高，转炉工作环境恶劣，工作油要始终保持清洁难度大；液压元件制造精度要求高，成本高，这对于 炼钢企业成本控制难度大；液
13、压元件维修复杂，需要技术水平高；液压传动对油温敏感，在冶炼车间转炉这种高温的环境下，会严重影响液压设备的运行，增加液压设备的冷却系统不但增加成本，也增加了技术要求和难度。 再分析下齿轮驱动方式的优缺点。 齿轮机构是在各种机构中应用最为广泛的一种传动机构 2。 齿轮驱动，是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。 在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高 1。 齿轮驱动的优点：结构紧凑，效率高，寿命长；齿轮类型众多，应用广，更换维护维修方便；齿轮零件设备制造简便，成本低；传动 平稳，传动比精确，工作可靠，效率高；使用功率、速度和尺寸范围大。齿轮驱动的缺点是啮合传动会产生噪声，发热量大
14、，易于导致润滑不良及齿轮胶合损伤等。 综合比较，由于转炉冶炼车间环境条件恶劣，温度高，空气杂志粉尘多，这对于运行环境要求要的液压设备产生很多的影响，造成传动比驱动不精确。因此最后选定电动机 -齿轮传动方式。为了保证转炉倾翻机构工作时的具有最大程度的安全可靠性， 300t 转炉倾翻机构应该采用双驱动由两台电动机同时驱动。从安全角度来看仅有电动机的备用能力是不够的，为了防止传动件和轴承等零件损坏，通常采用两套 或两套以上的机械传动装置，同时采用多点啮合没，即多电机驱动，用四驱动较为合适。 3、抗扭缓冲装置方案设计： 抗扭装置的形式有浮点铰链抗扭装置、双万向铰水平柑抗扭装置、带弹簧缓冲器的抗扭装置、
15、扭力杆抗扭缓冲装置这四种缓冲装置 11。 浮点铰链抗扭装置：这种防钮装置由于没有缓冲元件，可在抗钮支座底部设固定方销来承受剪力或者在导板上加上橡胶垫块，防止支座螺栓在动载荷力作用下剪断，增加其缓冲性能。 双万向铰水平柑抗扭装置：支座允许水平杠饶水平轴线和垂直轴线有一定摆动，这既能适应耳轴变形的要求，又能起抗钮作用。 带 弹簧缓冲器的抗扭装置：对于降低动载荷有显著效果。这种结构工作时无论是水平或是垂直杆带缓冲器的抗钮装置，均会使耳轴和耳轴轴承承受附加载荷。 扭力杆抗扭缓冲装置：这种装置可使传动力矩逐渐增加或减少，从而起缓冲作用。 由于抗扭装置要求结构简单、紧凑、便于维修，工作时不让耳轴收到附加载
16、荷等工作操作要求，综合比较上诉抗扭装置，最后选定扭力杆抗扭缓冲装置。扭力杆抗扭缓冲装置的显著优点是不会在耳轴上造成附加载荷。扭力杆抗扭缓冲装置通过水平扭力杆和两个立杆加在倾动机构的悬挂减速器上的一个力偶矩来防止其传动。而其他形式的抗钮 装置通常是靠一个单力来防止转动，这就必然会在耳轴上造成附加载荷。此外，立杆两端均用铰链联接，当耳轴产生扰曲变形时，悬挂减速器箱体可作相应的空间位移，而不影响齿轮副的正确啮合。 四、结束语 本次研究设计的课题是 300t 转炉倾翻机构，阐述了转炉倾翻机构在国民经济生产中的重要性。本文重点讲解了倾翻机构设计方案和选定，从倾翻机构的配置形式、驱动形式和抗扭缓冲装置形式
17、进行研究，为具体的论文设计和计算提供了理论上的依据。 五、参考文献 1濮良贵 , 纪名刚 .机械设计（第七版） M.北京：高等教育出版社 , 2001. 2王知行 ,刘廷荣主编 .机械原理 M.北京：高等教育出版社 ,2000. 3廖念钊主编 .互换性与技术测量（第四版） M.北京：中国计量出版社， 2000. 4东北工学院机械设计 /机械制图教研室 .机械零件设计手册 M.北京：冶金工业出版社， 1974. 5机械设计手册联合编写组编 .机械设计手册 上册 M.北京：化学工业出版社 , 1987. 6机械设计手册联合编写组编 .机械设计手册 中册 M.北京：化学工业出版社 , 1987. 7
18、刘鸿文 .材料力学（第三版） M.北京：高等教育 出版社 ,1991. 8哈尔滨工业大学理论力学教研组编 .理论力学（第五版） M. 北京：高等教育出版社 , 1993. 9大连理工大学工程画教研室编 .机械制图（第四版） M.北京：高等教育出版社 , 1993. 11罗振才 炼钢机械 M.北京： 冶金工业出版社， 1992. 12陶春虎 ,阎海 ,陈鹦 ,苏锡九 ,谢明立 .减速器主动齿轮断裂失效研究 J.材料工 程 ,1993， 9： 4547. 13赵铁轩 .65t 转炉倾动装置二次减速机大齿轮工艺研究 J.重工与起重术 ,2010,4:2429. 14Joong-Ho Shin,Soon-Man Kwon.On the lobe profile design in a cycloid reducer using instant velocity centerJ.Mechanism and Machine Theory, 2006, 5:596616. 15S.K.Malhotra and M.A.Parameswaran.Analysis of acycloid speed reducer Untesuchung des cyclo-getriebesJ.Mechanism and Machine Theory, 1983, 3:491499.
