LF精炼炉钢包回转台驱动系统设计与分析

刘 璨,王婧姝,石 ,张姝羽,刘 帅,李 晨,陈 星,王 辉,刘 雨

(1.中钢集团鞍山热能研究院有限公司,辽宁 鞍山 114044

2.通用技术集团沈阳机床中捷友谊厂,辽宁 沈阳 110000)

1 概 述

回转台式LF炉与双车式和电极旋转式相比,其优点是占地面积小,布局紧凑,设备结构简单,便于维护,经济性好;非常适合于横向空间有限的车间;在转运钢水的过程中,相比于采用钢包车的结构型式,回转台的运行相对平稳,避免了钢包车启停冲击带来的钢水外溢;同时,由于吹氩管线和电缆从回转台内部与钢包连接,避免了钢包车行走时所需要的电缆和吹氩管线卷筒,节省了工作空间,减少了部分辅助设备,提高了整个LF炉设备投入的经济性。

钢包回转台主要由回转臂、底座、驱动系统等组成;其中,驱动系统(见图1)又由回转支承、减速机、电动机、液压马达及联轴器等共同组建。与连铸回转台相比,LF炉所使用的回转台结构型式相对简单,不具备称量、钢包提升及加盖等功能。本文将以60 t LF炉为例,对精炼炉用钢包回转台整个驱动系统进行分析与讨论。

图1 LF钢包精炼炉回转台驱动系统

2 钢包回转台驱动系统基础数据计算与分析

LF炉钢包回转台多采用直臂式结构如图2所示。钢包支座位于回转臂两端,且处于同一水平段。工作状态下,由电机驱动旋转180°;事故状态下,由液压马达驱动,将位于加热工位的钢包转运至等待工位。

图2 直臂式钢包回转台

在进行钢包回转台设计时,应根据设计方案先确定与钢包回转台有关的设计参数,本文以60 t LF精炼炉为例,将有关设计参数如表1所示。

表1 钢包回转台设计参数

2.1 回转支承的选型计算

LF精炼炉用钢包回转台通常工作载荷分为两种情况:

(1)钢包回转台两端同时座包(盛满钢水);

(2)一端座包(盛满钢水),另一端空置无负载。

故在计算钢包回转台相关数据时应对两种情况分别进行计算。

第1种情况:

(1)当量垂直负荷。

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

(1)

式中:g为重力加速度,N/kg。

(2)当量倾覆力矩。

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

(2)

钢包放置回转台时,对回转支承产生冲击力,其冲击系数取1.25。

第2种情况:

(1)当量垂直负荷。

Fa2=m1g+m2g+m3g=1 293.6 kN

(3)

式中:g为重力加速度,N/kg。

(2)当量倾覆力矩。

M2=1.25(m1g+m2g)R=4 021.06 kN·m

(4)

2.2 回转支承的选型

通过对两种工况下静载荷和倾覆力矩比较,为了防止钢包回转台发生倾覆,以两种工况下倾覆力矩较大者为静态计算的工作载荷。依据《机械设计手册》和回转支承设计标准(JB/T2300—2018),结合LF精炼炉使用工况,首先应确定回转台回转支承安全系数fs为1.75,由此可以计算出回转支承静态参照载荷。

Fa′=Fa2fs=2 263.8 kN

(5)

M′=M2fs=7 036.86 kN·m

(6)

通过上述计算结果,与回转支承承载能力曲线(见图3)的比照,可确定选用131.45.2500回转支承(见图4)。

图3 131.45.2500回转支承承载能力曲线

图4 131.45.2500回转支承结构图

查找《机械设计手册》可以确定该型号回转支承相关参数(见表2),利用该表参数可以进行驱动电机及减速机的选型。

3 减速机设计与分析

依据回转台的使用工况,所选用的减速机必须具有较高的机械强度和热平衡许用功率两方面的要求。因三环减速机具有承载、超载能力强,传动比大,效率高,结构紧凑,体积小等优点,所以非常适合钢包回转台使用。

3.1 减速机选型数据计算

结合上文的计算,可以计算出一个装满钢水的钢包对回转中心的转动惯量:

(7)

回转臂对回转中心的转动惯量

(8)

式中:Rm为钢包外径,m;L为回转臂长度一半,取4.065 m;B为回转臂宽度一半,取1.77 m。

回转台角加速度

(9)

回转台动力矩

MAN=(J1+J2)ε

(10)

将数据代入式(10)中,可以知道在回转台两端都放置满罐钢包时,动力矩MAN1=59.43 kN·m;在回转台一端放置满罐钢包另一端无载荷时,动力矩MAN2=30.25 kN·m。

通过对回转台各种工况下力矩的计算,可以进一步确定两种工况下的回转功率:

动力矩功率

(11)

式中:总传动功率η取0.9。

3.2 减速机选型设计与分析

根据上文计算,结合回转支承相关参数,可以知道减速机输出轴与回转支承配对齿轮的模数m2=18,压力角α=20°。依据《机械设计手册》,对于一般减速传动,两啮合齿轮的齿数比u=Z1/Z2,一般取u≤6～8;当两齿轮中心距固定时,齿数越多,则重合度增大,传动平稳性增强;故取Z2=23;传动比i12=Z1/Z2=6.696。ω2=i12×ω1=0.703 rad/s;转速n2=6.72 r/min。减速机输出轴齿轮功率Pc=P/η=7.68 kW;齿轮扭矩T=1 000Pc/ω2=10.92 kN·m。通过对输出扭矩的比对,查找《机械设计手册》可以确定减速机的结构型式为GTTR型,规格为350。当减速机输入转速为750 r/min时,减速机的传动比ij=105.4;功率为12.8 kW;减速机输出转矩Tj=15.79 kN·m。

4 驱动电机设计与分析

LF精炼炉钢包回转台在运行过程中需要经历快速启动、匀速运行和减速停车三个阶段;在运行的过程中还存在较大的冲击、振动,频繁启动及反转制动的场合。查阅《机械设计手册》相关内容,初步确定选择采用YZP系列三相异步电动机,该系列电动机具有较高的机械强度及过载能力,运行稳定,可靠性高,同时也具备一定的抗尘能力,满足LF钢包精炼炉的使用环境及要求。

因为减速机的额定功率为12.8 kW,出于安全角度考虑,选用的电动机的最大过载功率不宜超过减速机的额定功率;比照《机械设计手册》,确定初选电动机型号为YZP180L-8型;该型电动机的额定功率11 kW;额定转矩144 N·m;额定转速730 r/min。根据上文选定的减速机,计算可以知道电动机经过减速机输出最大转矩Tout=TD·ij=15.18 kN·m,满足回转台转动扭矩要求;电动机经过减速机输出最大转速nc=Dout/ij=6.93 r/min,满足回转台转速要求。综上所述,初选YZP180L-8型电动机满足回转台驱动使用要求。

5 结 论

设计钢包回转台驱动装置时,重点是对回转台回转支撑、驱动电机及减速机的选型计算。要防止因为设计选型不能满足载荷要求而影响回转台运行稳定可靠、安全等问题;同时,也要防止过盈的选型所增加的经济费用。驱动装置的设计还是应该从钢包回转台载荷出发,充分结合LF精炼炉的工作环境,进行计算选型。