鐵水罐耳軸強(qiáng)度及安全性能變化分析

瞿建華 王旭

摘要：闡述了鋼包和鐵水罐耳軸的重要性。從設(shè)計的角度出發(fā)，耳軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手，就其材質(zhì)的選擇和強(qiáng)度的計算進(jìn)行綜合分析，從而計算出耳軸直徑與安全系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，得出兩者的曲線變化圖。

關(guān)鍵詞：鐵水罐;耳軸;結(jié)構(gòu);材質(zhì);強(qiáng)度計算;函數(shù)關(guān)系

一、問題的提出

筑爐車間承接高爐140t鐵水罐在線維保業(yè)務(wù)。鐵水罐是冶金行業(yè)使用非常廣泛的一種設(shè)備，它的作用是裝運(yùn)高爐生產(chǎn)出來的鐵水，并通過運(yùn)輸火車將其運(yùn)送到鑄鐵作業(yè)區(qū)鑄鐵或煉鋼廠煉鋼。鐵水罐的安全穩(wěn)定運(yùn)行責(zé)任重大，而耳軸是整個鐵水罐的承重點(diǎn)，是起吊鐵水罐的關(guān)鍵部件，它直接影響著整個鐵水罐的安全。

耳軸的使用首先應(yīng)考慮安全因素，其次由于使用頻率高，耳軸直徑磨損快，達(dá)到規(guī)定下限必須更換，而更換成本較高（25000元/對）。從其經(jīng)濟(jì)適用性考慮，如何通過耳軸的強(qiáng)度分析計算出耳軸軸徑與安全系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，找到兩者之間的平衡點(diǎn)，從而達(dá)到節(jié)約鐵水罐維護(hù)成本，降低鐵水罐安全隱患的目的，是本文的關(guān)鍵所在。

二、耳軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

耳軸通過耳軸箱與包體組接到一起，耳軸箱是一種箱體梁結(jié)構(gòu)。耳軸上的承載力傳遞到耳軸箱，耳軸箱將力傳遞到包體上，從而使耳軸承載起整個鐵水罐的重量。耳軸主要有四種結(jié)構(gòu)形式，而在線維保的140t鐵水罐耳軸結(jié)構(gòu)如右圖1所示。它的特點(diǎn)是耳軸為圓柱體，先鑲嵌耳軸到耳軸塊里，然后將耳軸塊通過耳軸箱焊接到鋼包體上。耳軸為鍛件，耳軸塊可以做成鍛件也可以做成鑄件。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是耳軸為小型鍛件，易采購，易加工;缺點(diǎn)是耳軸向耳軸塊的鑲嵌工藝比較難以控制，目前的三種工藝是冷裝、熱裝和壓裝，都會給車間生產(chǎn)制作帶來難度。該結(jié)構(gòu)適用于各種類型的鋼包和大型鐵水罐。

二、耳軸的材質(zhì)選擇

鐵水罐耳軸承重量大，需要較高的安全性;耳軸與包體之間需要一定量的焊接?；谝陨蟽牲c(diǎn)考慮，耳軸一般情況下鍛制而成，材料我們一般選20CrMo。該材質(zhì)熱強(qiáng)度較高，淬透性較好，在520℃以下有較好的熱強(qiáng)性，無回火脆性，焊接性相當(dāng)好，形成冷裂的傾向很小，可切削性及冷應(yīng)變塑性良好。其化學(xué)成分見表1、材料性見表2。

耳軸鍛造后，精加工前應(yīng)該調(diào)質(zhì)處理，處理過后其硬度在HBW217～255之間，其綜合性能滿足了需求。

三、耳軸的強(qiáng)度設(shè)計

（1）受力分析

耳軸主要承受靜載荷，起吊瞬間考慮沖擊載荷和耳軸圓角處的應(yīng)力集中。靜載荷具體為鐵水罐總重的一半，鐵水罐總重包括鐵水罐自重、爐襯重、鋼水重引起的力，我們記為Qmax。

從圖3中看到耳軸根部受到的復(fù)合力最為嚴(yán)重。

D、B的尺寸與吊車和吊車的板鉤匹配;μ是吊鉤和耳軸的摩擦系數(shù)，取μ=0.2。

（2）求應(yīng)力（根據(jù)下面的應(yīng)力公式表得出三種受力方式的應(yīng)力）

（3）根據(jù)第三強(qiáng)度理論的合成應(yīng)力

kw為載荷系數(shù);kδ為彎曲時的有效應(yīng)力集中系數(shù);Kτ為扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù)。

（4）安全系數(shù)：n=，δs為選用材質(zhì)的屈服極限。

四、耳軸的直徑d與安全系數(shù)n之間的函數(shù)關(guān)系

由第三部分耳軸的強(qiáng)度設(shè)計里所列出的計算公式可發(fā)現(xiàn)鐵水罐的耳軸直徑d與安全系數(shù)n之間存在函數(shù)關(guān)系。

下面以我公司承接的140T鐵水罐為例計算出兩者之間的函數(shù)關(guān)系式。140T鐵水罐滿載時總重220t，耳軸寬度B=200mm，因耳軸材質(zhì)為20CrMo，查詢表2可知δs=685，則計算如下：

從而得出耳軸直徑d與安全系數(shù)n之間存在的函數(shù)關(guān)系式。

五、耳軸直徑d與安全系數(shù)n的函數(shù)變化曲線圖

根據(jù)兩者的函數(shù)關(guān)系式，利用Excel軟件，分項(xiàng)計算求和。把公式n=685÷分成以下8部分在Excel中逐步求和：

當(dāng)在耳軸直徑d的空格里輸入數(shù)值時，安全系數(shù)n的空格里就會自動生成相對應(yīng)的數(shù)值。例如當(dāng)軸徑輸入為290時，安全系數(shù)n為13.12。根據(jù)《煉鋼安全規(guī)程AQ2001-2004》中的相關(guān)規(guī)定繪制出了140T鐵水罐耳軸直徑的安全性能變化表（表3）及變化曲線圖（圖3）。

六、結(jié)束語

耳軸安全性能隨著直徑的磨損減少而逐漸降低，但實(shí)際中還有更多更復(fù)雜的因素影響著耳軸的安全性能。因此在日常生產(chǎn)中，要加強(qiáng)鐵水罐耳軸的維護(hù)與保養(yǎng)：定期對耳軸進(jìn)行探傷，必要時給耳軸加上耳軸套，對沒有耳軸套的耳軸，要定期查看耳軸的磨損情況，發(fā)現(xiàn)磨損嚴(yán)重的最好進(jìn)行電鍍修復(fù)并消除應(yīng)力后再使用。