300噸轉爐傾動機構扭力桿上部聯接座斷裂分析

郝冬彬，史良，劉瑞林

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

1 300噸轉爐扭力桿結構簡介

轉爐傾動機構及扭力桿簡介。

某煉鋼廠共計5座轉爐，采取脫磷脫碳雙聯模式，設計公稱容量為300T，其轉爐傾動裝置是目前比較常見及成熟的裝置，即為四點全懸掛柔性驅動裝置，在當今鋼鐵廠設計較普遍。通過耳軸將爐本體與二次減速機聯接，然后以二次減速機為基礎，通過四臺一次減速機進行驅動。而扭力裝置通過關節軸承利用M90×395的特制高強螺栓與二次減速機本體聯接。

扭力連接裝置是目前通用裝置，主要功用是安全的扭矩吸震裝置，它的吸震功能原理是通過長桿的彈性形變量，來吸收冶煉必須的轉爐旋轉的動能能量，將外在的動能能量轉化為長桿所對應的彈性變形的扭轉內力矩，這樣設計及制造的目的主要是使傳動的集中扭矩逐步變化，通過長桿的作用力距逐漸增加或減少，最終對于耳軸及爐體的旋轉產生的扭矩起到吸收及緩沖的作用。該機構的結構較半懸掛結構占地面積小，原理結構簡單，二次減速機的底座通過鉸接型式與立柱及連接，通過曲柄結構立柱的另一端同樣形成鉸接連接，也就是俗稱的吊掛型式。曲柄與扭力桿采取鍵連接型式，同樣通過關節軸承連接型式扭力桿又與軸承座進行連接固定。在轉爐傾動機構工作時，傾動裝置兩側的吊掛裝置分別有向上的拉應力和向下的壓應力，最終將扭轉的力作用在扭力桿上。結構示意如圖1所示。

2 扭力桿連接座結構受力分析

某日發現300噸轉爐搖爐過程中有“磕頭”現象，在對轉爐系統進行檢查過程中，發現扭力桿平衡裝置上支座底板斷裂。連接座是承受載荷的主要設備，發生故障后隨即停爐進行處理。

圖1

通過現場查看，發現扭力桿與二次減速機聯接支座的上支座底板斷裂，該側上、下支座的兩條聯接螺栓完好、緊固；另一側支座完好，兩條聯接螺栓斷裂，非斷裂側上支座底板翹曲變形，如圖2。

圖2

初步確定兩個原因：a)二次減速機與扭力桿聯接的聯接支座的上支座底板存在內部缺陷，在長期運行中，其缺陷于內部向外逐步擴展，最終在沖擊載荷作用下，在較短時間內產生斷裂。b）上部聯接支座強度是不合要求。

2.1 轉爐爐體的模型建立及仿真分析

2.1.1 連接座受力模型建立

轉爐在傾動過程中受力是多方因素影響的，忽略外界次要影響因素，轉爐所要承受的主要受力為爐本體設備本身自重及對應裝入鋼水廢鋼等所產生的重力。轉爐在傾動時，扭矩通過傳動裝置作用在扭力桿上。

如圖3所示：由于模型載荷及結構的對稱性，實際分析時采用1/4模型進行；聯接座T形塊受力以均布力的方式施加在螺栓孔周邊的環行區域內，T形塊受力大小可根據耳軸力矩大小來計算：

式中：F——T形塊受力；

M——耳軸力矩；

L——兩T形塊之間的距離，為5.2m。

圖3 連接柱仿真分析模型

2.1.2 受力分析模型分析

通過模型計算可以得出應力集中區域，仍舊忽略次要的因素，理論上的計算結果如圖4及表1所示。T形塊相對較高應力集中區域位置為縱斷面與橫端面相交位置，同時排除焊接應力影響及材料性能影響，得出的結論為與現場斷裂面位置吻合；此斷裂面的應力狀態主要為以扭矩產生的拉應力為主。在自重變化范圍內及頻繁的交替受力及條件下，通過應變測量等轉爐耳軸在常規狀態下的峰值力矩為15032kN·m，這時對應的連接裝置所受到的峰值等效拉應力402MPa、峰值主應力計算可以達到497MPa。

如果T形塊材質按45鋼(正火+回火)考慮，則σs=280Mpa，σb=580Mpa，T形塊受力為脈沖載荷，許用應力應按疲勞強度極限考慮：〔σ-1〕＝0.5σb＝290MPa，顯然不管是按屈服極限還是疲勞極限考慮，當耳軸峰值力矩為14500kN·m時，T形塊應力水平均超過了許用值。考慮到焊縫區材質的實際承載能力可能比本體區更低，可以斷定：T形塊的焊縫開裂是由于工作狀態下T形塊應力水平過高、多次沖擊產生疲勞裂紋而造成的。

3 結語

通過前文仿真結果分析，采取的控制方案為將扭力桿上部聯接座重新進行設計，在高應力區域增加寬度為400mm，高度為100mm背板，進行焊接補強。

表1 不同載荷條件下的T形塊應力

圖4 耳軸力矩14489kN·m時T形塊等效應力

轉爐傾動扭力桿裝置是轉爐最重要設備之一，其穩定運行直接關系著轉爐冶煉穩定。扭力桿裝置在轉爐傾動機構起重要作用，所以需要對扭力桿事故進行嚴格的分析，以保證設備的安全使用，保證生產的穩定運行。

[1] 閆開宇,孫健.轉爐傾動機構研究[J].一重技術，2017,2.

[2] 古瑩奎等.全懸掛轉爐傾動機構的動力學仿真分析[J].機械設計與制造,2012,9.

[3] 煉鋼機械[M].冶金工業出版社.