硅系礦熱電爐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計及計算方法

李游

【摘??要】國內(nèi)外硅系電爐生產(chǎn)中需配置旋轉(zhuǎn)設(shè)備，旋轉(zhuǎn)設(shè)備可以帶動電爐旋轉(zhuǎn)，使熔池與電極發(fā)生相對運動;改善電爐坩堝區(qū)結(jié)構(gòu)，使?fàn)t底高溫區(qū)溫度分布均勻，防止?fàn)t底上漲;促進(jìn)物料間反應(yīng)更加的充分，提高生產(chǎn)產(chǎn)量;旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性是電爐運行的關(guān)鍵因素之一，本文主要根據(jù)資料、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備的實際運行情況對旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算進(jìn)行了歸納總結(jié)，完善旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)確性和完整性，便于不同參數(shù)的電爐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算。

【關(guān)鍵詞】硅系電爐;旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);設(shè)計計算

前言

根據(jù)電爐實際冶煉反應(yīng)區(qū)所需的工藝要求，提出對電爐旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度要求，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所承載的重量等已知參數(shù)，對旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了工藝設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算;本文分析了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理，基于銷齒傳動機(jī)構(gòu)為核心，介紹了整個機(jī)構(gòu)的理論計算方法。

1、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)主要分為5部分，上環(huán)形銷齒機(jī)構(gòu)、滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、下環(huán)形固定機(jī)構(gòu)、減速機(jī)傳動裝置及中心導(dǎo)向裝置;旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理是減速機(jī)傳動裝置通過上環(huán)形銷齒機(jī)構(gòu)帶動電爐轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中需克服上環(huán)形銷齒機(jī)構(gòu)軌道與滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輪子之間的摩擦阻力、滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輪子與軸之間的摩擦阻力、下環(huán)形固定機(jī)構(gòu)軌道與滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輪子之間的摩擦阻力及中心導(dǎo)向裝置軸承的摩擦阻力;整個機(jī)構(gòu)通過逐級減速來達(dá)到電爐生產(chǎn)時的旋轉(zhuǎn)速度要求。如果在實際的生產(chǎn)中電爐需要更慢的轉(zhuǎn)速，此時可以調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率降低旋轉(zhuǎn)速度。

2、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計時具備的已知參數(shù)

2.1、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動電爐的總重：M;

2.2、環(huán)形銷齒機(jī)構(gòu)軌道與滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輪子之間的摩擦系數(shù)（低碳鋼與低碳鋼的滾動摩擦）：0.05（/cm）

2.3?滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輪子與軸之間的摩擦系數(shù)（滑動摩擦）：0.01

2.4?旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)環(huán)形軌道中心圓直徑：D

2.5?滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輪子直徑：d

2.6電爐冶煉需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為大于5天/轉(zhuǎn)

3、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計及計算方法

根據(jù)已知參數(shù)，確定旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力、減速裝置的選型、上環(huán)形銷齒機(jī)構(gòu)參數(shù)等主要數(shù)據(jù)

3.1、確定旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力F

式中：M—機(jī)構(gòu)總承載（t）;

u?1—環(huán)形銷齒機(jī)構(gòu)軌道與滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輪子之間的摩擦系數(shù)，u?1=?0.05（/cm）;

u?2—下環(huán)形軌道與滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輪子之間的摩擦系數(shù)，u?2=?0.05（/cm）;

u?3—滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輪子與軸之間的摩擦系數(shù)，u3=0.01;

d—滾輪導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輪子直徑;

—輪軸受壓系數(shù);

β—支撐軌彎曲阻力系數(shù)（1.1—1.3）;

F0—中心導(dǎo)向裝置軸承的摩擦阻力（N）;忽略不計。

3.2、減速裝置的選型

減速裝置主要有減速電機(jī)、齒輪箱、齒輪副組成;

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)確定齒輪副尺寸和傳動比，結(jié)合電爐冶煉需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度及機(jī)械效率，可以確定齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)速;扭矩T=F*r，計算出齒輪箱的輸出扭矩，參弗蘭德、住友等齒輪箱制造廠家樣本可以確定齒輪箱型號。根據(jù)確定的齒輪箱輸出端參數(shù)，計算出減速電機(jī)的參數(shù)，按選定減速電機(jī)廠家參數(shù)最終確定減速電機(jī)型號。

3.3、確定上環(huán)形銷齒機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

3.3.1、按接觸強(qiáng)度計算確定銷齒直徑dp

接觸強(qiáng)度計算公式dp≥

F—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力;

σHP—許用接觸應(yīng)力;（銷齒材料采用45號鋼或40cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度為207-255HB或241-285HB，按10r/min查表得σHP值）

ψ—齒寬系數(shù)（Ψ=1.5-2.5）。

查表，按對稱循環(huán)荷載計算銷齒許用彎曲應(yīng)力σF1P：σF1P=σ-1/K*1/SP

按彎曲強(qiáng)度驗算校核dp

當(dāng)σF1?≤σF1P時，銷齒彎曲強(qiáng)度滿足，銷齒直徑dp確定

式中：dp—銷齒直徑（mm）;

σHp—許用接觸應(yīng)力（MPa）;

σF1P?—銷齒許用彎曲應(yīng)力（查表，按對稱循環(huán)荷載計算銷齒許用彎曲應(yīng)力σF1P：σF1P=σ-1/K*1/SP）

σF1?—銷齒計算彎曲應(yīng)力（MPa）

Ψ—齒輪齒寬系數(shù)（Ψ=1.5-2.5）;

b—齒輪齒寬，b=Ψdp（mm）;

F—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力;

L—銷齒計算長度（夾板間距）1.2-1.6b，mm。

3.3.2、確定銷輪齒數(shù)Z1

根據(jù)一般取值dp/p=0.4-0.5計算出齒距P，在確定銷輪齒數(shù)Z1=d1*π/p

式中：;

Z1—銷齒齒數(shù);

d1—銷齒機(jī)構(gòu)銷輪節(jié)圓直徑（mm）;

P—齒距（mm）;

dp—銷齒直徑（mm）;

3.3.3、銷輪夾板厚度校核

銷輪夾板厚度δ=（0.25～0.5）dp，驗算是否滿足擠壓強(qiáng)度要求：

根據(jù)夾板擠壓強(qiáng)度驗算公式：σpr=0.05F/?dpδ≤σprp，同時根據(jù)抗變形安全系數(shù)S=1.2～2，綜合考慮確定銷輪夾板厚度。

式中：

σpr—計算擠壓應(yīng)力（MPa）;

F—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力（N）;

dp—銷齒直徑（mm）;

δ—銷輪夾板厚度（mm）;

σprp—許用擠壓應(yīng)力（對鋼Q235，σprp?=98-118MPa，對鋼Q345，σprp?=220MPa）

3.3.4、按彎曲強(qiáng)度驗算校核齒輪輪齒彎曲強(qiáng)度

σF2=

σF2?≤σF2P時齒輪輪齒彎曲強(qiáng)度滿足。

式中：p—齒輪齒距（mm）;

σF2P?—齒輪輪齒許用彎曲應(yīng)力（MPa）;

σF2?—齒輪輪齒計算彎曲應(yīng)力（MPa）;

b—齒輪齒寬（mm）;

F—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力

4.結(jié)束語

為了使礦熱爐生產(chǎn)更加高效、完善，我們采用本文的計算方法，并結(jié)合國外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，通過多次的大量實踐和總結(jié)，自主研發(fā)設(shè)計了大型礦熱爐爐體旋轉(zhuǎn)的設(shè)備。該設(shè)備充分兼顧了自動化程度高、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實用、穩(wěn)定壽命長等特點，完善了大型礦熱爐設(shè)備自動化程度，填補(bǔ)了國內(nèi)大型礦熱爐旋轉(zhuǎn)設(shè)備的技術(shù)空白。該設(shè)備現(xiàn)已經(jīng)在哈薩克斯坦63MVA硅鐵電爐項目上成功運行，效果突出明顯，得到業(yè)主及行業(yè)的認(rèn)可和好評。好的設(shè)計方案和計算方法是設(shè)備設(shè)計的基石，掌握了堅實的理論基礎(chǔ)在結(jié)合系統(tǒng)的專門知識才能設(shè)計出理想的設(shè)備。

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（作者單位：遼寧天晟工程技術(shù)有限公司）