LF精煉爐鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

劉 璨,王婧姝,石 ,張姝羽,劉 帥,李 晨,陳 星,王 輝,劉 雨

(1.中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司,遼寧 鞍山 114044

2.通用技術(shù)集團(tuán)沈陽(yáng)機(jī)床中捷友誼廠,遼寧 沈陽(yáng) 110000)

1 概 述

回轉(zhuǎn)臺(tái)式LF爐與雙車式和電極旋轉(zhuǎn)式相比,其優(yōu)點(diǎn)是占地面積小,布局緊湊,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于維護(hù),經(jīng)濟(jì)性好;非常適合于橫向空間有限的車間;在轉(zhuǎn)運(yùn)鋼水的過(guò)程中,相比于采用鋼包車的結(jié)構(gòu)型式,回轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn),避免了鋼包車啟停沖擊帶來(lái)的鋼水外溢;同時(shí),由于吹氬管線和電纜從回轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部與鋼包連接,避免了鋼包車行走時(shí)所需要的電纜和吹氬管線卷筒,節(jié)省了工作空間,減少了部分輔助設(shè)備,提高了整個(gè)LF爐設(shè)備投入的經(jīng)濟(jì)性。

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)主要由回轉(zhuǎn)臂、底座、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成;其中,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(見圖1)又由回轉(zhuǎn)支承、減速機(jī)、電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)及聯(lián)軸器等共同組建。與連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)相比,LF爐所使用的回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)型式相對(duì)簡(jiǎn)單,不具備稱量、鋼包提升及加蓋等功能。本文將以60 t LF爐為例,對(duì)精煉爐用鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析與討論。

圖1 LF鋼包精煉爐回轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

LF爐鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)多采用直臂式結(jié)構(gòu)如圖2所示。鋼包支座位于回轉(zhuǎn)臂兩端,且處于同一水平段。工作狀態(tài)下,由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)180°;事故狀態(tài)下,由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),將位于加熱工位的鋼包轉(zhuǎn)運(yùn)至等待工位。

圖2 直臂式鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)

在進(jìn)行鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)方案先確定與鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù),本文以60 t LF精煉爐為例,將有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 回轉(zhuǎn)支承的選型計(jì)算

LF精煉爐用鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)通常工作載荷分為兩種情況:

(1)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)兩端同時(shí)座包(盛滿鋼水);

(2)一端座包(盛滿鋼水),另一端空置無(wú)負(fù)載。

故在計(jì)算鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)對(duì)兩種情況分別進(jìn)行計(jì)算。

第1種情況:

(1)當(dāng)量垂直負(fù)荷。

Fa1=2m1g+2m2g+m3g=2 283.4 kN

(1)

式中:g為重力加速度,N/kg。

(2)當(dāng)量?jī)A覆力矩。

M1=[1.25(m1g+m2g)-(m1g+
m2g)]R=804.21 kN·m

(2)

鋼包放置回轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí),對(duì)回轉(zhuǎn)支承產(chǎn)生沖擊力,其沖擊系數(shù)取1.25。

第2種情況:

(1)當(dāng)量垂直負(fù)荷。

Fa2=m1g+m2g+m3g=1 293.6 kN

(3)

式中:g為重力加速度,N/kg。

(2)當(dāng)量?jī)A覆力矩。

M2=1.25(m1g+m2g)R=4 021.06 kN·m

(4)

2.2 回轉(zhuǎn)支承的選型

通過(guò)對(duì)兩種工況下靜載荷和傾覆力矩比較,為了防止鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生傾覆,以兩種工況下傾覆力矩較大者為靜態(tài)計(jì)算的工作載荷。依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》和回轉(zhuǎn)支承設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T2300—2018),結(jié)合LF精煉爐使用工況,首先應(yīng)確定回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)支承安全系數(shù)fs為1.75,由此可以計(jì)算出回轉(zhuǎn)支承靜態(tài)參照載荷。

Fa′=Fa2fs=2 263.8 kN

(5)

M′=M2fs=7 036.86 kN·m

(6)

通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果,與回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線(見圖3)的比照,可確定選用131.45.2500回轉(zhuǎn)支承(見圖4)。

圖3 131.45.2500回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線

圖4 131.45.2500回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)圖

查找《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以確定該型號(hào)回轉(zhuǎn)支承相關(guān)參數(shù)(見表2),利用該表參數(shù)可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速機(jī)的選型。

3 減速機(jī)設(shè)計(jì)與分析

依據(jù)回轉(zhuǎn)臺(tái)的使用工況,所選用的減速機(jī)必須具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和熱平衡許用功率兩方面的要求。因三環(huán)減速機(jī)具有承載、超載能力強(qiáng),傳動(dòng)比大,效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,體積小等優(yōu)點(diǎn),所以非常適合鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)使用。

3.1 減速機(jī)選型數(shù)據(jù)計(jì)算

結(jié)合上文的計(jì)算,可以計(jì)算出一個(gè)裝滿鋼水的鋼包對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:

(7)

回轉(zhuǎn)臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

(8)

式中:Rm為鋼包外徑,m;L為回轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度一半,取4.065 m;B為回轉(zhuǎn)臂寬度一半,取1.77 m。

回轉(zhuǎn)臺(tái)角加速度

(9)

回轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)力矩

MAN=(J1+J2)ε

(10)

將數(shù)據(jù)代入式(10)中,可以知道在回轉(zhuǎn)臺(tái)兩端都放置滿罐鋼包時(shí),動(dòng)力矩MAN1=59.43 kN·m;在回轉(zhuǎn)臺(tái)一端放置滿罐鋼包另一端無(wú)載荷時(shí),動(dòng)力矩MAN2=30.25 kN·m。

通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)各種工況下力矩的計(jì)算,可以進(jìn)一步確定兩種工況下的回轉(zhuǎn)功率:

動(dòng)力矩功率

(11)

式中:總傳動(dòng)功率η取0.9。

3.2 減速機(jī)選型設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)上文計(jì)算,結(jié)合回轉(zhuǎn)支承相關(guān)參數(shù),可以知道減速機(jī)輸出軸與回轉(zhuǎn)支承配對(duì)齒輪的模數(shù)m2=18,壓力角α=20°。依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,對(duì)于一般減速傳動(dòng),兩嚙合齒輪的齒數(shù)比u=Z1/Z2,一般取u≤6～8;當(dāng)兩齒輪中心距固定時(shí),齒數(shù)越多,則重合度增大,傳動(dòng)平穩(wěn)性增強(qiáng);故取Z2=23;傳動(dòng)比i12=Z1/Z2=6.696。ω2=i12×ω1=0.703 rad/s;轉(zhuǎn)速n2=6.72 r/min。減速機(jī)輸出軸齒輪功率Pc=P/η=7.68 kW;齒輪扭矩T=1 000Pc/ω2=10.92 kN·m。通過(guò)對(duì)輸出扭矩的比對(duì),查找《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以確定減速機(jī)的結(jié)構(gòu)型式為GTTR型,規(guī)格為350。當(dāng)減速機(jī)輸入轉(zhuǎn)速為750 r/min時(shí),減速機(jī)的傳動(dòng)比ij=105.4;功率為12.8 kW;減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tj=15.79 kN·m。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)與分析

LF精煉爐鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中需要經(jīng)歷快速啟動(dòng)、勻速運(yùn)行和減速停車三個(gè)階段;在運(yùn)行的過(guò)程中還存在較大的沖擊、振動(dòng),頻繁啟動(dòng)及反轉(zhuǎn)制動(dòng)的場(chǎng)合。查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》相關(guān)內(nèi)容,初步確定選擇采用YZP系列三相異步電動(dòng)機(jī),該系列電動(dòng)機(jī)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度及過(guò)載能力,運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高,同時(shí)也具備一定的抗塵能力,滿足LF鋼包精煉爐的使用環(huán)境及要求。

因?yàn)闇p速機(jī)的額定功率為12.8 kW,出于安全角度考慮,選用的電動(dòng)機(jī)的最大過(guò)載功率不宜超過(guò)減速機(jī)的額定功率;比照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,確定初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YZP180L-8型;該型電動(dòng)機(jī)的額定功率11 kW;額定轉(zhuǎn)矩144 N·m;額定轉(zhuǎn)速730 r/min。根據(jù)上文選定的減速機(jī),計(jì)算可以知道電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩Tout=TD·ij=15.18 kN·m,滿足回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩要求;電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)速nc=Dout/ij=6.93 r/min,滿足回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速要求。綜上所述,初選YZP180L-8型電動(dòng)機(jī)滿足回轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)使用要求。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置時(shí),重點(diǎn)是對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)支撐、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速機(jī)的選型計(jì)算。要防止因?yàn)樵O(shè)計(jì)選型不能滿足載荷要求而影響回轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、安全等問(wèn)題;同時(shí),也要防止過(guò)盈的選型所增加的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)還是應(yīng)該從鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)載荷出發(fā),充分結(jié)合LF精煉爐的工作環(huán)境,進(jìn)行計(jì)算選型。