魚雷型混鐵車扭力桿強(qiáng)度的計(jì)算

供稿|郝曉靜 / HAO Xiao-jing

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秦冶重工有限公司自主研發(fā)的魚雷型混鐵水車采用了全懸掛、柔性支承、少齒差減速機(jī)的罐體傾翻傳動(dòng)系統(tǒng).減速機(jī)懸掛在魚雷罐主動(dòng)端樞軸上,通過扭力桿與主動(dòng)端平臺(tái)的固定座連接.文章介紹了傳動(dòng)系統(tǒng)減速機(jī)柔性支撐的扭力桿的強(qiáng)度計(jì)算方法.

秦冶重工有限公司自行研發(fā)的、具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的魚雷型混鐵車,其傾翻傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)與煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)類似,采用的是全懸掛柔性支撐三環(huán)減速機(jī)傳動(dòng):罐體兩端為軸式結(jié)構(gòu);傳動(dòng)系統(tǒng)中的末級(jí)減速機(jī)(二級(jí)減速機(jī))輸出為空心套結(jié)構(gòu),直接懸掛在魚雷罐主動(dòng)端樞軸上;輸入電機(jī)與一級(jí)減速機(jī)直接相連;一級(jí)減速機(jī)輸出端與末級(jí)減速機(jī)輸入端直接相連;末級(jí)減速機(jī)再通過柔性支撐桿固定于主動(dòng)端平臺(tái)上,起到減速機(jī)柔性支撐固定的目的.結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,適用于大轉(zhuǎn)矩、大減速比、低轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)場(chǎng)合.這種安裝方式可以避免因罐體使用過程中剛度變化而影響減速機(jī)內(nèi)部齒間嚙合情況.

圖1 秦冶魚雷型混鐵車

扭力桿

首次生產(chǎn)的柔性支撐桿(生產(chǎn)圖樣名稱為扭力桿,以下簡(jiǎn)稱扭力桿)用于邯鋼320 t混鐵車,材質(zhì)采用的是彈簧鋼60Si2CrVA,該材料具有較好的淬透性和可加工性,經(jīng)淬火加中溫回火的熱處理方式,以期熱處理后獲得高強(qiáng)度、高屈強(qiáng)比、高疲勞強(qiáng)度及高彈性極限的回火屈氏體組織,以滿足其工況條件.

彈簧鋼本身具有良好的淬透性,可以使材料熱處理后的硬度達(dá)到HRC45以上.生產(chǎn)過程中,工件加工后按熱處理工藝處理后獲得預(yù)期的、理想的硬度值.由于工件尺寸的影響、材料成分的偏差、熱處理參數(shù)的偏差、熱處理設(shè)備的影響等,往往造成最終熱處理后檢查結(jié)果與要求值有一定的差距.了解工件使用過程中的應(yīng)力水平,再根據(jù)實(shí)際熱處理后的硬度值,參照硬度與性能曲線,判斷與理想要求有一定偏差的工件能否滿足實(shí)際工況的要求.要做出正確判斷,就要求我們首先掌握扭力桿的應(yīng)力狀況.

秦冶重工有限公司為山西汶水海威配套的320 t魚雷型混鐵車,其傾翻傳動(dòng)裝置采用的即是全懸掛柔性支撐三環(huán)減速機(jī)傳動(dòng),其扭力桿材質(zhì)為60Si2CrVA,這是一種自平衡式單扭力桿,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示.

圖2 扭力桿結(jié)構(gòu)示意

以汶水海威320 t魚雷罐車扭力桿為例,介紹扭力桿的應(yīng)力計(jì)算過程.

受力分析

魚雷罐在為轉(zhuǎn)爐煉鋼輸送鐵水過程中,要在一定角度范圍內(nèi)傾翻作業(yè).傾翻過程中,由于鐵水不斷從罐口流出,罐的總重量不斷變化,整體重心相對(duì)于罐體樞軸的位置也不斷變化,傾翻所需的、克服由于罐體整體重心相對(duì)于樞軸的轉(zhuǎn)矩(阻力矩)就不斷變化,重心位置相對(duì)于旋轉(zhuǎn)樞軸的位置關(guān)系如圖3所示.

圖3 罐重心位置分布示意

圖4 扭力桿受力分析示意

校核過程

電機(jī)實(shí)際輸出的動(dòng)力大小是根據(jù)負(fù)載情況決定的,傾翻作業(yè)過程中,造成傾翻減速機(jī)及扭力桿所承受的扭矩也不斷變化--扭矩從低到高、再由高到低循環(huán)變化.

電機(jī)所需輸出轉(zhuǎn)矩最大值為罐體重心偏離樞軸旋轉(zhuǎn)中心而產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩,減速機(jī)必須承受電機(jī)輸出傳遞給減速機(jī)的扭矩.汶水海威320 t魚雷罐車配套的三環(huán)減速機(jī)許用轉(zhuǎn)矩是按實(shí)際傾翻需要的轉(zhuǎn)矩配套設(shè)計(jì)的,減速機(jī)設(shè)計(jì)輸出轉(zhuǎn)矩最大值為T =350 kN.m.對(duì)扭力桿進(jìn)行受力分析結(jié)果如圖4.圖中扭力臂處的力F為因減速機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩而作用在該處的力,通過減速機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算而來.MG為為使扭力臂平衡而產(chǎn)生的扭力臂與扭力桿間反作用力F'產(chǎn)生的彎矩,Mτ為力F與扭力桿存在一定的距離A而使扭力桿產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,M為合成彎矩.扭力桿力學(xué)校核計(jì)算過程及結(jié)果見表1.

表1 扭力桿強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算確定危險(xiǎn)截面為1-1截面及4-4截面,計(jì)算應(yīng)力值分別為σ1=147.719 MPa、τ4=217.326 MPa.判定工件是否滿足安全使用條件,除校核強(qiáng)度外,還需校核剛度條件.考慮環(huán)境溫度的影響,工作環(huán)境溫度為150~200℃,溫度修正系數(shù)K取0.98~0.99,材料的切變模量Gτ按溫度修正系數(shù)K=0.985進(jìn)行修正計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表2.

表2 扭力桿剛度校核計(jì)算結(jié)果

扭力桿是在交變載荷條件下工作的,其載荷情況可以看成是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力,因此校核時(shí)應(yīng)按疲勞極限計(jì)算:強(qiáng)度條件σ≤[σp],σp為材料的許用應(yīng)力,τ ≤[σ-1];剛度條件φ≤3°.

幾種彈簧鋼及常用軸類材質(zhì)的性能參數(shù)表3.

表3 幾種常用軸類材質(zhì)的性能參數(shù)

校核的意義

通過計(jì)算可知扭力桿的強(qiáng)度和剛度均通過校核條件,可安全使用.如果考慮載荷的沖擊系數(shù)K1,取1.3進(jìn)行計(jì)算(K1=1.25~1.35),安全系數(shù)n1=[σp]/K1/σmax=3.69,n2=[τp]/K1/τmax=1.95.

總之,通過扭力桿尺寸的合理確定,合理選擇材質(zhì),采取適當(dāng)?shù)谋砻鎻?qiáng)化工藝處理等,終將獲得性價(jià)比高的設(shè)計(jì)與工藝的匹配,滿足扭力桿使用性能的要求,同時(shí)盡可能的降低制造成本.

[1] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè). 第5版. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[2] 劉鴻文. 材料力學(xué)I . 第4版. 北京:高等教育出版社,2004.