LF精煉爐鋼包回轉臺驅動系統設計與分析

劉 璨,王婧姝,石 ,張姝羽,劉 帥,李 晨,陳 星,王 輝,劉 雨

(1.中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司,遼寧 鞍山 114044

2.通用技術集團沈陽機床中捷友誼廠,遼寧 沈陽 110000)

1 概 述

回轉臺式LF爐與雙車式和電極旋轉式相比,其優點是占地面積小,布局緊湊,設備結構簡單,便于維護,經濟性好;非常適合于橫向空間有限的車間;在轉運鋼水的過程中,相比于采用鋼包車的結構型式,回轉臺的運行相對平穩,避免了鋼包車啟停沖擊帶來的鋼水外溢;同時,由于吹氬管線和電纜從回轉臺內部與鋼包連接,避免了鋼包車行走時所需要的電纜和吹氬管線卷筒,節省了工作空間,減少了部分輔助設備,提高了整個LF爐設備投入的經濟性。

鋼包回轉臺主要由回轉臂、底座、驅動系統等組成;其中,驅動系統(見圖1)又由回轉支承、減速機、電動機、液壓馬達及聯軸器等共同組建。與連鑄回轉臺相比,LF爐所使用的回轉臺結構型式相對簡單,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,對精煉爐用鋼包回轉臺整個驅動系統進行分析與討論。

圖1 LF鋼包精煉爐回轉臺驅動系統

2 鋼包回轉臺驅動系統基礎數據計算與分析

LF爐鋼包回轉臺多采用直臂式結構如圖2所示。鋼包支座位于回轉臂兩端,且處于同一水平段。工作狀態下,由電機驅動旋轉180°;事故狀態下,由液壓馬達驅動,將位于加熱工位的鋼包轉運至等待工位。

圖2 直臂式鋼包回轉臺

在進行鋼包回轉臺設計時,應根據設計方案先確定與鋼包回轉臺有關的設計參數,本文以60 t LF精煉爐為例,將有關設計參數如表1所示。

表1 鋼包回轉臺設計參數

2.1 回轉支承的選型計算

LF精煉爐用鋼包回轉臺通常工作載荷分為兩種情況:

(1)鋼包回轉臺兩端同時座包(盛滿鋼水);

(2)一端座包(盛滿鋼水),另一端空置無負載。

故在計算鋼包回轉臺相關數據時應對兩種情況分別進行計算。

第1種情況:

(1)當量垂直負荷。

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

(1)

式中:g為重力加速度,N/kg。

(2)當量傾覆力矩。

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

(2)

鋼包放置回轉臺時,對回轉支承產生沖擊力,其沖擊系數取1.25。

第2種情況:

(1)當量垂直負荷。

Fa2=m1g+m2g+m3g=1 293.6 kN

(3)

式中:g為重力加速度,N/kg。

(2)當量傾覆力矩。

M2=1.25(m1g+m2g)R=4 021.06 kN·m

(4)

2.2 回轉支承的選型

通過對兩種工況下靜載荷和傾覆力矩比較,為了防止鋼包回轉臺發生傾覆,以兩種工況下傾覆力矩較大者為靜態計算的工作載荷。依據《機械設計手冊》和回轉支承設計標準(JB/T2300—2018),結合LF精煉爐使用工況,首先應確定回轉臺回轉支承安全系數fs為1.75,由此可以計算出回轉支承靜態參照載荷。

Fa′=Fa2fs=2 263.8 kN

(5)

M′=M2fs=7 036.86 kN·m

(6)

通過上述計算結果,與回轉支承承載能力曲線(見圖3)的比照,可確定選用131.45.2500回轉支承(見圖4)。

圖3 131.45.2500回轉支承承載能力曲線

圖4 131.45.2500回轉支承結構圖

查找《機械設計手冊》可以確定該型號回轉支承相關參數(見表2),利用該表參數可以進行驅動電機及減速機的選型。

3 減速機設計與分析

依據回轉臺的使用工況,所選用的減速機必須具有較高的機械強度和熱平衡許用功率兩方面的要求。因三環減速機具有承載、超載能力強,傳動比大,效率高,結構緊湊,體積小等優點,所以非常適合鋼包回轉臺使用。

3.1 減速機選型數據計算

結合上文的計算,可以計算出一個裝滿鋼水的鋼包對回轉中心的轉動慣量:

(7)

回轉臂對回轉中心的轉動慣量

(8)

式中:Rm為鋼包外徑,m;L為回轉臂長度一半,取4.065 m;B為回轉臂寬度一半,取1.77 m。

回轉臺角加速度

(9)

回轉臺動力矩

MAN=(J1+J2)ε

(10)

將數據代入式(10)中,可以知道在回轉臺兩端都放置滿罐鋼包時,動力矩MAN1=59.43 kN·m;在回轉臺一端放置滿罐鋼包另一端無載荷時,動力矩MAN2=30.25 kN·m。

通過對回轉臺各種工況下力矩的計算,可以進一步確定兩種工況下的回轉功率:

動力矩功率

(11)

式中:總傳動功率η取0.9。

3.2 減速機選型設計與分析

根據上文計算,結合回轉支承相關參數,可以知道減速機輸出軸與回轉支承配對齒輪的模數m2=18,壓力角α=20°。依據《機械設計手冊》,對于一般減速傳動,兩嚙合齒輪的齒數比u=Z1/Z2,一般取u≤6～8;當兩齒輪中心距固定時,齒數越多,則重合度增大,傳動平穩性增強;故取Z2=23;傳動比i12=Z1/Z2=6.696。ω2=i12×ω1=0.703 rad/s;轉速n2=6.72 r/min。減速機輸出軸齒輪功率Pc=P/η=7.68 kW;齒輪扭矩T=1 000Pc/ω2=10.92 kN·m。通過對輸出扭矩的比對,查找《機械設計手冊》可以確定減速機的結構型式為GTTR型,規格為350。當減速機輸入轉速為750 r/min時,減速機的傳動比ij=105.4;功率為12.8 kW;減速機輸出轉矩Tj=15.79 kN·m。

4 驅動電機設計與分析

LF精煉爐鋼包回轉臺在運行過程中需要經歷快速啟動、勻速運行和減速停車三個階段;在運行的過程中還存在較大的沖擊、振動,頻繁啟動及反轉制動的場合。查閱《機械設計手冊》相關內容,初步確定選擇采用YZP系列三相異步電動機,該系列電動機具有較高的機械強度及過載能力,運行穩定,可靠性高,同時也具備一定的抗塵能力,滿足LF鋼包精煉爐的使用環境及要求。

因為減速機的額定功率為12.8 kW,出于安全角度考慮,選用的電動機的最大過載功率不宜超過減速機的額定功率;比照《機械設計手冊》,確定初選電動機型號為YZP180L-8型;該型電動機的額定功率11 kW;額定轉矩144 N·m;額定轉速730 r/min。根據上文選定的減速機,計算可以知道電動機經過減速機輸出最大轉矩Tout=TD·ij=15.18 kN·m,滿足回轉臺轉動扭矩要求;電動機經過減速機輸出最大轉速nc=Dout/ij=6.93 r/min,滿足回轉臺轉速要求。綜上所述,初選YZP180L-8型電動機滿足回轉臺驅動使用要求。

5 結 論

設計鋼包回轉臺驅動裝置時,重點是對回轉臺回轉支撐、驅動電機及減速機的選型計算。要防止因為設計選型不能滿足載荷要求而影響回轉臺運行穩定可靠、安全等問題;同時,也要防止過盈的選型所增加的經濟費用。驅動裝置的設計還是應該從鋼包回轉臺載荷出發,充分結合LF精煉爐的工作環境,進行計算選型。