徐光慶，蔣根柱，李英杰

(上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京210012)

0 前言

鋼包傾翻裝置用于鋼包熱修。將帶有內(nèi)襯及鋼殘?jiān)目瞻鼉A翻至一定角度：0°、90°、135°，進(jìn)行更換滑動(dòng)水口、熱修內(nèi)襯、清理底吹轉(zhuǎn)、吹通滑動(dòng)水口、倒空鋼水包內(nèi)殘?jiān)茸鳂I(yè)。

上海梅山鋼鐵煉鋼廠原150 t鋼包傾翻裝置于2009年5月投產(chǎn)，為提升產(chǎn)能、節(jié)約能源，2017年新增了鋼包全程加蓋系統(tǒng)，因鋼包加蓋后整體重量增大、重心上移，會(huì)顯著增大傾翻力矩，因此改變了原傾翻裝置的整機(jī)使用性能，承載能力需重新進(jìn)行校核。

1 鋼包傾翻裝置工藝流程

鋼包傾翻裝置工藝流程如圖1所示。待熱修的鋼包(帶包蓋)由行車從南向北吊入并放在傾翻裝置座包處。鋼包鎖緊裝置氣缸伸出，推動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，壓住鋼包耳軸箱兩側(cè)的凸塊。松開(kāi)主制動(dòng)器，啟動(dòng)主電機(jī)，驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)臺(tái)架和鋼包、包蓋由北向南轉(zhuǎn)動(dòng)至90°檢修位置，主制動(dòng)器抱緊，事故制動(dòng)器投入制動(dòng)保證安全。北邊電動(dòng)維修平臺(tái)靠近傾轉(zhuǎn)裝置，在北邊拆裝滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)、拆裝底吹氬接頭、拆裝下渣檢測(cè)接頭，維修平臺(tái)移開(kāi)。松開(kāi)主制動(dòng)器，啟動(dòng)主電機(jī)，繼續(xù)由北向南轉(zhuǎn)動(dòng)至90°～135°間合適位置，主制動(dòng)器抱緊，倒出鋼包內(nèi)殘?jiān)Ｓ赡舷虮鞭D(zhuǎn)動(dòng)至0°座包位置，主制動(dòng)器抱緊，東邊熱修平臺(tái)開(kāi)到灌引流砂位置，在上部對(duì)準(zhǔn)滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)灌入引流砂；熱修平臺(tái)移開(kāi)。鋼包鎖緊裝置氣缸縮回，拉動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，行車將熱修完畢的鋼包連同包蓋從北向南吊出。

圖1 鋼包傾翻裝置工藝流程圖

2 原傳動(dòng)系統(tǒng)分析計(jì)算

梅鋼煉鋼廠150 t鋼包傾翻裝置原設(shè)計(jì)采用框架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)翻轉(zhuǎn)臺(tái)均為對(duì)稱L型結(jié)構(gòu)，兩者之間采用楔行板連接。傾翻裝置設(shè)計(jì)為單側(cè)電機(jī)減速機(jī)傳動(dòng)，一級(jí)減速電機(jī)輸出軸制動(dòng)的傳動(dòng)方式，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

按照此傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)三種不同工況分別進(jìn)行計(jì)算分析，三種工況分別為空載、不帶包蓋含冷鋼、帶包蓋。

鋼包參數(shù)：

鋼包重量(含耐材、粘渣及滑動(dòng)水口)G1=931 000 N

傾翻臺(tái)架重量G2=460 600 N

包蓋重量G3=88 200 N

鋼包帶冷鋼重量G4=49 000 N

鋼包傾翻轉(zhuǎn)速n=1 r/min

如圖3所示，坐標(biāo)系X軸與鋼包耳軸重合，Y軸與鋼包中心重合，由鋼包質(zhì)量屬性表中可得：帶蓋情況下，鋼包重心距鋼包耳軸Y軸方向距離為-305 mm；不帶蓋情況下，鋼包重心距鋼包耳軸Y軸方向距離為-530 mm；現(xiàn)傾翻裝置鋼包耳軸中心距回轉(zhuǎn)中心Y軸方向距離為940 mm。

根據(jù)提供的鋼包及砌磚圖紙，應(yīng)用solidworks軟件詳細(xì)進(jìn)行三維建模，得出具體的鋼包本體重心(分帶蓋和不帶蓋兩種情況)如圖3所示。帶蓋工況：m=95006.743 kg，重心位置：X=-2.005 mm，Y=-305.174 mm，Z=0.694 mm；不帶蓋工況：m=85722.304 kg，重心位置：X=-2.222 mm，Y=-530.474 mm，Z=0.770 mm。

2.1 空載工況

空載工況下三維建模如圖4所示。

圖4 空載工況下三維模型

空載工況下，傾翻架重量為：G=460 600 N

傾翻力矩為T=G×0.664=305 838 N·m

在沒(méi)有安全系數(shù)情況下，空載傾翻所需的電機(jī)功率為

根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并參照德馬克設(shè)計(jì)，設(shè)備的工況系數(shù)按照k=1.7，電機(jī)的傳動(dòng)效率為0.85，計(jì)算出電機(jī)的功率為

2.2 不帶包蓋含冷鋼工況

不帶包蓋含冷鋼工況下的三維建模如圖5所示。

圖5 空載工況下三維模型

不帶包蓋含冷鋼工況下，傾翻重量為

G=G1+G2+G4=1 440 600 N

傾翻力矩為T=G×0.072=103 723 N·m

計(jì)算所需電機(jī)功率為

此工況下，電機(jī)功率、輸出扭矩能滿足使用要求，但設(shè)備的整體重心高于回轉(zhuǎn)中心，會(huì)產(chǎn)生負(fù)力矩。

2.3 帶包蓋工況

帶包蓋工況下的三維建模如圖6所示。

圖6 帶包蓋工況下的三維建模

帶包蓋工況下，傾翻重量為

G=G1+G2+G3=1 479 800 N

傾翻力矩為T=G×0.166=245 647 N·m

計(jì)算所需電機(jī)功率為

此工況下，目前使用電機(jī)功率(37kW)不能滿足使用要求，而且設(shè)備的整體重心高于回轉(zhuǎn)中心達(dá)150 mm，產(chǎn)生負(fù)力矩。

綜上所述，空載、帶包蓋工況下，目前現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)不能滿足使用要求?，F(xiàn)場(chǎng)空載使用時(shí)依靠電機(jī)啟動(dòng)時(shí)將功率過(guò)載，勉強(qiáng)滿足空載所需的力矩，但沒(méi)有安全系數(shù)。加蓋后所需電機(jī)功率更大，即使電機(jī)啟動(dòng)時(shí)過(guò)載也不能滿足要求。

依據(jù)以往設(shè)計(jì)鋼包傾翻的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備的整體重心低于回轉(zhuǎn)中心以下-100 mm左右的距離，傾翻運(yùn)行可靠、安全。通過(guò)計(jì)算可以看出，不帶包蓋含冷鋼以及帶包蓋工況下，設(shè)備的整體重心均高于回轉(zhuǎn)中心，與理想的距離(-100 mm)相差較大，傾翻時(shí)存在很大的安全隱患，因此原設(shè)備不能使用，需進(jìn)行更換并優(yōu)化改進(jìn)。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

基于分析計(jì)算，首先對(duì)傾翻架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將本體框架鋼板加厚增強(qiáng)剛度，其次對(duì)傾翻轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算分析，電機(jī)功率的選擇確保在空載、帶鋼包、帶鋼包含加蓋含渣等多種情況下均能夠具備一定余量。電機(jī)抱閘制動(dòng)力矩按兩倍的電機(jī)輸出力矩選型。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的傾翻架本體如圖7所示。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)后傾翻架本體

針對(duì)鋼包傾翻低轉(zhuǎn)速、大扭矩的要求，改進(jìn)后的傳動(dòng)裝置由變頻主電機(jī)、抱閘、一級(jí)行星減速器、二級(jí)非標(biāo)傳動(dòng)齒輪箱、二級(jí)齒輪箱出軸盤式抱閘、鼓型齒式聯(lián)軸器以及與其相連的傳動(dòng)軸和軸承箱組成。傳動(dòng)系統(tǒng)采用二級(jí)減速，即一級(jí)行星減速、二級(jí)平行軸減速方法，增大傾翻力矩；并采用兩級(jí)制動(dòng)，即電機(jī)后采用盤式制動(dòng)，末端增加安全事故制動(dòng)器。

傳動(dòng)系統(tǒng)可使傾翻臺(tái)停在任意需要的角度或定位停在0°、90°、135°角度不動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)能減少嚙合過(guò)程中的剛性沖擊，并能吸振，使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，具有較高的工作可靠性。傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速≤1 r/min，電機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)。改進(jìn)后傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后傳動(dòng)系統(tǒng)布置圖

計(jì)算得出一級(jí)行星減速機(jī)及二級(jí)平行軸減速機(jī)相關(guān)參數(shù)分別見(jiàn)表2、表3。

表2 一級(jí)行星減速機(jī)參數(shù)

表3 二級(jí)平行軸減速機(jī)參數(shù)

電機(jī)選用YVF2-315M-8變頻電機(jī)，功率75 kW，額定轉(zhuǎn)矩955 N·m，通過(guò)二級(jí)減速后輸出轉(zhuǎn)矩為T=955×60.524×12.428=718 344 N·m=718.3 kN·m

由傾翻力矩計(jì)算得出最大轉(zhuǎn)矩475.29 kN·m，安全系數(shù)為1.5。

鋼包傾翻傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)出軸設(shè)置電液盤式制動(dòng)器，傾翻框架傾轉(zhuǎn)到0°、90°、135°時(shí)通過(guò)二次減速機(jī)輸出軸的安全制動(dòng)器(盤式)鎖緊?；剞D(zhuǎn)角度通過(guò)角度編碼器來(lái)控制。

4 傳動(dòng)系統(tǒng)配套件的選型

齒輪材料選用20CrMnMo,光軸材料選用42CrMo。所有材料均采用鍛件。齒輪經(jīng)滲碳+淬火HRC57-61，磨齒工藝精度達(dá)GB/T10095-2008 6級(jí)。齒輪強(qiáng)度采用GB3480標(biāo)準(zhǔn)，使用系數(shù)選用1.5，齒輪彎曲強(qiáng)度達(dá)1.6，接觸強(qiáng)度達(dá)1.45。

行星減速機(jī)采用飛濺潤(rùn)滑；主減速機(jī)采用外置CB-B63JZ電機(jī)油泵強(qiáng)制潤(rùn)滑。

軸承設(shè)計(jì)壽命為20 000 h，實(shí)際計(jì)算壽命為：高速級(jí)軸承72635/253166；中間軸軸承277720/168485；輸出軸承13506324/2256 571。

通過(guò)計(jì)算完全滿足鋼包傾翻要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改進(jìn)后的傳動(dòng)系統(tǒng)使鋼包傾翻裝置運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，效果良好，實(shí)現(xiàn)了帶包蓋能進(jìn)行翻轉(zhuǎn)熱修。該傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)為以后設(shè)計(jì)同類產(chǎn)品積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各種工況條件下傾翻所需的轉(zhuǎn)矩須仔細(xì)計(jì)算核實(shí)，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式滿足需求。