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1、RH真空处理顶枪升降及旋转机构设计摘要RH真空处理是提高钢水质量的方法之一，它是由德国鲁尔钢公司与真空泵厂家赫拉乌斯公司共同设计的。顶枪机构是其中非常重要的一部分。通过顶枪除碳、除磷、脱氧、脱硫、去除夹杂物。可使钢水质量得到有效的提高。顶枪在工作中需要完成升降和旋转两个动作，升降运动的目的是使插入钢水中的枪体离开真空室,而旋转运动的目的是使枪体离开工作位，以便维修、检查炼钢设备。在本次设计中顶枪升降动作是通过齿轮蜗杆减速器减速加链传动机构实现的,旋转动作通过液压传动来实现。 通过对该升降及旋转机构的设计，加深对炼钢设备的进一步了解与认识，同时熟练掌握运用齿轮传动、蜗杆传动、链传动等机构的设计方
2、法，树立起严谨的设计理念，从而达到综合训练的目的，为将来走向工作岗位打下坚实的基础。 关键词：RH真空氧枪； 升降机构； 旋转机构RH vacuum Top Gun movements and institutions designed rotaryAbstractRH vacuum processing is to improve the quality of molten steel one of the ways, it is from Germanys Ruhr steel company and the vacuum pump manufacturers Helawusi joint
3、ly designed. Top Gun institutions is one very important part. In addition to the gun through the roof of carbon, phosphorus, deoxy, desulfurization, the removal of inclusion. The quality of molten steel can be effectively improved. Top guns in their work to be done movements and rotating the two mov
4、ements, movements of the movement to make molten steel inserted in the left chamber of the gun, and rotating the purpose is to leave the guns of work stations, for maintenance, inspection steel-making equipment . In the design of top-gun action movements through the worm gear reducer slowdown and ch
5、ain drive mechanism to achieve, through hydraulic rotary action to achieve.Rotating through the movements and the design, deepen their understanding of the steel-making equipment to further understanding and awareness, and mastering the use gear transmission, the worm transmission, such as the chain
6、 drive design and establish strict design concept to achieve comprehensive training The purpose, to work for the future and lay a solid foundation. Keywords: Vacuum lance RH； Body movements； Rotating bodies目录摘要IAbstractII1. 绪 论11.1 RH法介绍11.2 RH真空处理装置的特点31.3真空处理设备的工作原理31.4顶枪控制的方法41.5本课题研究的主要内容42.总体方案
7、设计52.1从运动状态角度分析62.2从加工角度分析62.3从经济角度分析73.电动机的选择与计算83.1计算电动机功率83.2选择电动机型号84.传动比的分配及各轴动力参数计算104.1传动比的分配104.2从电动机开始计算各轴运动及动力参数105. 传动系统设计135.1链传动的设计计算135.2减速器设计计算155.2.1选择减速器155.2.2斜齿圆柱齿轮传动设计155.2.3普通圆柱蜗杆传动设计225.3选择联轴器275.3.1输入轴联轴器选择275.3.2输出轴联轴器选择285.4选择液压缸286.主要零件强度校核计算306.1输出轴键的连接强度校核306.1.1蜗轮键的校核306
8、.1.2联轴器键的校核306.2轴承与轴的校核316.2.1轴承的寿命验算326.2.2轴的强度校核347.顶枪冷却水控制与安全策略407.1 顶枪冷却水控制407.2 顶枪安全控制策略418.设备可靠性与经济评价428.1机械有效度计算428.2预测投资回收期42结 束 语44致 谢45参考文献461. 绪 论1.1 RH法介绍随着科学技术的进步和我国工业的飞速发展，人们对钢铁的性能和质量有了更高的要求。炉外精练是炼钢过程中提高钢水质量的一项必不可少的环节。所谓炉外精炼就是把转炉或电炉中所炼的钢水移到另一个容器中进行精炼的过程。也叫二次炼钢或钢包精炼。炉外精炼把传统炼钢分成两步，第一步叫初炼
9、，在氧化性气氛下进行炉料的溶化、脱磷、脱碳和主合金化；第二步叫精炼，在真空、惰性气氛或可控气氛下进行脱氧、脱硫、去除夹杂、夹杂物变性、微调成分、控制钢水温度等。可实现提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本RH真空精炼技术产生于50年代末期。在近30年的时间里,RH的功能和精炼的钢种范围不断扩大,发展成为多功能真空精炼技术,在炉外精炼中占主导地位。至今,全世界已有100余台。在西欧、日本、美国得到普遍推广,仅日本就有40余台,1989年日本转炉钢真空精炼率达56.5%,新日铁大分厂、川崎制铁水岛厂已全量进行RH真空精炼。实践证明,RH真空精炼技术是提高产品质量,降低成本,扩大品种
10、,提高炼钢生产能力,保证连铸顺行,实现全连铸,优化炼钢生产工艺的重要手段。 到1992年止,我国只有10台RH设备(其中3台在机电部机械厂),除宝钢RHOB和武钢2号RH设备水平较高外,其余的水平较低,功能有限。 从钢铁工业发展来看,炉外精炼已成为炼钢生产不可缺少的重要工序,铁水预处理转炉复合吹炼RH精炼(炉外精炼)连铸是现代炼钢厂的最佳工艺流程。而我国RH普及率很低,1990年全国冶金系统不包括吹氩、喂丝的钢水精炼比为2.68%,其中电炉钢3.6%,转炉、平炉钢精炼比2.49%,真空精炼比仅1.99%。预计未来510年里,将有710家企业采用RH真空精炼技术。RH法钢水处理炉外精炼，通常在炼
11、钢工业中使用两种真空循环脱气法，单连通管法或称DH工艺及双连通管法或称RH工艺。其中RH工艺是较为常见的方法。RH法是德国鲁尔钢（Ruhrstahl）公司和真空泵厂家赫拉乌斯（Heraeus）公司共同设计的。根据铅和汞做模拟实验，确认了技术的可能性之后，继而发展起来的，随着RH真空精炼的实践RH真空精炼技术的发展， RH真空处理装置既是转炉充分发挥效率的可靠保证，又为连铸提供优质钢水。稳定连铸生产工艺条件的重要手段，同时转炉与连铸之间起着重要的缓冲作用。它的冶金功能得到了充分的发展，扩展到了十余项冶金功能。炉外精炼的种类很多，大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼两类。按处理方式的不同，又可
12、分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等在炉外精炼中，基础自动化的功能大致包括以下几个部分：（1） 数据采集，包括炉外精炼工艺过程的主要参数的检测。（2） 自动控制，即炉外精炼工艺过程中，主要工艺参数的自动控制以达到炉外精炼最终目标。 （3） 电气传动顺序控制，即对炉外精炼所有的电气设备按工艺所要求的顺序进行控制、联锁。起停。（4） 故障报警，包括工艺过程参数的超报警，以及电气，仪表，设备本身的故障报警而这些报警又分成轻、中、重三度报警。（5） 数据处理，对精炼过程中所采集的数据进行处理和存储，以供控制、显示和打印用，主要处理包括差压、流量的开方、温度压力补正等运算，消耗按班、日、月的累计
13、计算以及历史数据的存储趋势记录等一糸列的运算显示。（6） 在精炼过程中接受上位机的设定值进行SPC（设定值控制），包括数学模型设定以及人工智能如模糊控制，神经元网络等指令并进行控制。（7） 画面显示，包括CRT上显示工艺流程画面操作画面、工艺参数趋势曲线、历史数据、图形画面等。（8） 数据记录，包括班报、日报、月报记录以及专门的报表如合金投入量、喂丝重量等。（9） 数据通迅、包括PLC之间，PLC和DCS之间，上下位机之间通迅。虽然炉外精炼有许多不同的工艺流程，但上述功能都是一样的。目前国内外RH真空处理都向插入管长寿命化、处理功能多样化、处理连续化、生产过程控制全自动化方向发展。主要目标就是
14、要降低生产成本，稳定和优化冶金生产工艺操作，提高产品产量的质量。由于自动化及计算机应用不仅节省人力，更重要的是能把工艺参数严格控制在规定值范围之内，监控生产过程，优化工艺过程，缩短处理时间，达到高产、优质、节能降耗以及降低成本。而且能生产过去不能生产的产品，故自动化及计算机应用不仅是工业现代化的标志，而且是生产必需和关键的环节，因此世界各国都努力发展工业自动化。到目前为止，工业自动化发展到了多级计算机自动化系统。1.2 RH真空处理装置的特点（1） 真空室采用双室平移交替式，钢包采用钢包车运送和液压顶升方式。（2） 设有贮料能力大，数量足够的高位料仓，以满足多钢种的要求和今后的发展。铁合金称量
15、和加料系统设有精调与细调，以确保合金化的精度和速度。（3） 采用大抽气能力的确蒸汽喷射真空泵，装备有真空自动控制系统和高压水清洗装置。（4） 采用地下皮带运输机和垂直皮带运输机相结合的方式把铁合金由地面运送到高位贮料仓，占地面积少。（5） 预留RH顶吹氧枪位置，在未装氧枪前，装备真空室煤气加热系统和石墨棒直流电加热系统，以提高内衬温度并防止内衬结瘤。（6） 装备包括全自动喷补机，真空室部件更换和平共处五项原则维修设备，以缩短辅助作业时间。（7） 设有铁合金上料及称量时的收尘装置。1.3真空处理设备的工作原理真空处理主设备主要由真空室、真空室加热设备、升降设备和旋转设备、合金加料设备、真空泵系统
16、和电气设备以及测量控制仪表等组成。实现顶枪进入和退出真空室动作通常有两种移动方法：在真空处理时，真空室需转到处理位置上方，然后降下顶枪，插入钢水中，这种方法称为上动法；另一种方法是真空室不动，而通过旋转升降顶枪来完成全部动作，这种方法称为下动法。由于上动法需要真空室完成旋转运动，考虑其重量较大，对机构的刚度要求较高，加工制造也相对困难许多，因此上动法不为常用。相比之下，下动法顶枪质量较轻由顶枪完成升降和旋转运动更容易实现，也方便机构的设计和维修。1.4顶枪控制的方法顶枪升降及枪位控制中根据加热过程的工艺要求，需要对顶枪位置进行调整和控制。顶枪采用电机驱动，顶枪的升降行程控制采用绝对编码器，顶枪
17、在最高位和最低位的紧急限位采用限位式机械开关，当枪上升或下降达到最高限位或最低限位时，立即切断变频器的输出，顶枪停止运行并抱闸，防止出现事故。另外，还设有停枪位和换枪位两个限位开关每次加热结束、真空处理期间或顶枪漏水时，顶枪提升到停枪位等待当要更换真空室或更换顶盖时，顶枪提出热顶盖外即换枪位。顶枪的操作方式有：事故方式、现场手动方式、远程手动方式和远程自动方式。事故操作方式是指在事故停电状态下将气动马达耦合手柄打到气动马达位置，用N2提升顶枪。现场手动方式是指在现场操作台上选择多边钥匙开关就地操作，通过操作台上的按钮控制顶枪升降，操作台上用数字表显示顶枪枪位，只能低速升降，该方式主要用于设备维
18、护和检修。远程手动方式是操作员直接在操作站上点击“上升”“下降”按钮，控制顶枪升降。远程自动操作是指操作员直接在HMI上设定枪位，经过PLC比较后，自动控制枪的升降，该方式为正常生产操作方式，并带所有控制联锁。出于安全考虑，在HMI上只允许自动操作，没有手动方式。操作员在加热表内设定好加热时间、枪位和气体流量，然后按下“启动”按钮，顶枪自动下降到设定枪位位置后停止，氧气、煤气阀打开，调节阀根据认定流量调节氧气和煤气流量。加热时顶枪要下到真空室内，而真空室内的温度很高（约1100-1300），因此顶枪采用水冷方式进行冷却，以免被烧坏。1.5本课题研究的主要内容 设计顶枪升降旋转机构，使顶枪完成提
19、升和旋转运动，主要内容包括电动机选择与计算、链传动设计计算、齿轮蜗杆减速器设计计算、液压缸和联轴器的选择等。2.总体方案设计方案1：采用升降走行机构电动机1通过减速器和链传动带动小车完成升降运动。电动机2驱动轮子在水平轨道上完成走行。(图2.1) 图2.1升降走行机构方案简图方案2：采用升降旋转机构电动机通过减速器和链传动带动小车完成升降运动。由液压缸带动机架完成旋转。（图2.2）图2.2升降旋转机构简图2.1从运动状态角度分析方案1：电动机驱动机架走行速度相对较快，节省时间，但当机架走行到轨道两端停车时，与轨道有冲击且冲击载荷很大。方案2：液压驱动，机架旋转速度相对较慢，浪费时间，但机架旋转
20、平稳，几乎没有冲击载荷。2.2从加工角度分析方案1：走行距离很大，机构庞大，加工轨道困难。方案2：液压缸是标准件，可外购。2.3从经济角度分析方案1：走行距离大，浪费空间，轨道尺寸很大，加工、运输、安装成本都较高。另外使用两个电动机也增加了成本。方案2：液压缸型号固定，购买、安装都很方便。综上所述：选用方案2。3.电动机的选择与计算3.1计算电动机功率（1）选择电动机系列按工作要求及工作条件选 用三相异步电动机，封闭式结构，电压380V，Y系列。（2）计算电动机功率 升降小车所需要的有效功率：Pw= FV链=(M+m) gV （3.1） =(2200+1200)9.80.2 =6.664(KW
21、)装置总效率：总=联2啮蜗承7链摩联轴器效率：联=0.99（弹性）滚动轴承效率：承=0.98（滚子轴承）齿轮啮合效率：齿=0.98（7级精度）蜗杆传动效率：蜗=0.72（单头）链传动效率：链=0.93（开式双排链）对导轨的摩擦效率：摩=0.97则总传动效率：总=联2啮蜗承7链摩 （3.2） =0.9920.980.720.9870.930.970.536所需电动机功率： （3.3）3.2选择电动机型号查机械设计课程设计表4.12-1，可选Y系列三相异步电动机Y162M2-2型，额定功率P0 =15KW，转速n0=2930 r/min。4.传动比的分配及各轴动力参数计算4.1传动比的分配图4.1
22、选用传动方案传动方案如图4.1； 由于链传动比为，初定蜗轮蜗杆的传动比为，因此 4.2从电动机开始计算各轴运动及动力参数解：0轴：（电机轴）1轴：（减速器高速轴）2轴：（蜗杆轴） 3轴：（蜗轮轴） 4轴：（链轮轴） 表4.1 各轴运动及动力参数轴序号 功率 转速 转矩 传动类型 传动 效率0 12.295 2930 40.0741 12.172 2930 39.673联轴器 1.0 0.992 11.570 610.035 181.138 斜齿轮传动 4.803 0.95063 8.164 10 7796.421 蜗杆传动 61 0.70564 7.921 10 7564.281 联轴器 1.
23、0 0.97025. 传动系统设计5.1链传动的设计计算初定链速为V链=0.2m/s，输出轴转速为10r/min，采用双排滚子链，垂直布置，传动比取1。选择链轮齿数查机械设计手册3表22.2-2选取链轮齿数z1=17，z2=iz1 =17计算功率Pca查机械设计表9-6得工作情况系数KA=1.3P链 =Pr联2啮蜗承7链摩=12.2950.9920.980.720.9870.930.97=6.664(KW)Pca=KAP链=1.36.664=8.663(KW) （5.1）确定链条链节数LP初定中心距a0=110P, 则链节数为： （5.2）=节=231.33(节)圆整取LP=232（节）确定链
24、条的节距P查机械设计手册3图22.2-2可知，链工作在功率曲线顶点左侧，这时可能出现链板疲劳破坏。查机械设计表9-10得: 链轮齿数系数 KZ=（z1/19）1.08=(17/19)1.08=0.89链长系数 KL=(LP/100)0.26=(232/100)0.26=1.24采用双排链，查机械设计表9-11 得 双排链系数KP=1.7，得所需传递的功率为：P0=6.62(KW) （5.3）初定链轮转速 n链= 10 r/min查机械设计手册3图22.2-2选链号为48A双排链。查机械设计手册3表22.2-1得链节距P= 76.20 (mm)确定链长及中心距a=17.68 (m) （5.4）
25、（5.5）= =8191.5 (mm) =8.19 (m) 中心距减少量：a=(0.0020.004)a=(0.0020.004)8.19=0.01640.0328 (m) 实际中心距： a=a-a+L小车（3.3） （5.6）=8.19-(0.01640.0328)+ =9.15649.1728 (m) 取 a=9.16 (m)验算链速 (5.7)式中：z1、z2分别为主动、从动链轮的齿数 n1、n2分别为主动、从动链轮的转速，单位（r/min） P链的节距，单位（mm） m/s （5.8）与原假设相符计算链轮上的压轴力 FP=KFPFe (5.9)式中： Fe链传递的有效圆周力，单位N K
26、Fp压轴力系数，对于水平传动KFp=1.15；对于垂直传动KFp=1.05 有效圆周力：Fe=1000=33320 (N) （5.10）链垂直布置： KFP=1.05FP=KFPFe=1.0533320=34986 (N) （5.11）确定链轮毂孔dk查机械设计表9-4得 链轮毂孔许用最大直径dmax=239 (mm) 大于蜗轮轴，因此可用链的润滑方式查机械设计手册3图22.2-3 选用油刷或油壶人工定期润滑。5.2减速器设计计算5.2.1选择减速器根据减速器的工作情况初选圆柱蜗杆减速器，考虑蜗杆转速不超过1500r/min，而选择电动机转速为2930r/min。因此考虑在蜗轮蜗杆减速级前，再
27、加一级斜齿圆柱齿轮减速。目的为了降低输出轴转速，以免蜗杆温度过高导致严重磨损失效。5.2.2斜齿圆柱齿轮传动设计（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数按图1的传动方案，选用斜齿圆柱齿轮顶枪升降机构为一般工作机构，速度不高。故选用7级精度（GB10095-88）。材料选择由机械设计表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS；大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS选小齿轮齿数z1=24，大齿轮齿数z2=i1z1=4.80324=115.272 取z2=115（2） 按齿面接触强度设计 (5.12)式中：Kt载荷系数；T1小齿轮的转矩；d齿宽系
28、数；i齿轮的传动比；ZH区域系数；ZE材料的弹性影响系数；接触疲劳寿命系数；试选Kt=1.6由机械设计图10-30选区域系数ZH=2.433取=14，由机械设计图10-26查得1=0.78,2=0.90则=1+2=1.68计算小齿轮传递的转矩T1=95.5106 =95.510612.295/2930=4.0104 由机械设计表10-7选系数d=1由机械设计表10-6选取材料的弹性影响系数ZE=189.8(MPa1/2)查机械设计图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1=600 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2=550 MPa 计算应力循环次数N1=60n1jL
29、h=6029301(830128)=4.107109N2=(4.05109)/4.88=0.855109查机械设计由图10-9取接触疲劳寿命系数 KHN1=0.90 KHN2=0.95计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1，由公式H1=(KHN1Hlim1)/S=(0.90600)/1=540 （MPa） H2=(KHN1Hlim2)/S=(0.95550)/1=522.5 （MPa）H=(H1+H2)/2=531.25 (MPa)（3）相关参数计算试算小齿轮分度圆直径d1t由计算公式得 （5.13）= 41.150 (mm)计算圆周速度 (m/s) （5.14）计算齿宽b及模数
30、mnt b=dd1t=141.150=41.150 (mm) mnt=(d1tcos)/Z1=(41.150cos14)/24=1.66 (mm) h=2.25mnt=3.74 (mm) b/h=41.150/3.74=11.00计算纵向重合度=0. 318dz1tan=0.318124tan14=1.903计算载荷系数K 已知使用系数KA=1，查机械设计图10-8得动载系数Kv=1.16查表10-4得KH齿向载荷分布系数的计算公式KH=1.12+0.18(1+0.6d2)d2+0.2310-3b （5.15） =1.12+0.18(1+0.612)12+0.2310-344.2 =1.42由
31、图10-13查得 KF=1.35由表10-3查得 KH=KF=1.2因此计算载荷系数 K=KAKVKHKH=11.161.21.42=1.97按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径 (mm) （5.16）计算模数mn mn=(d1cos)/z1=(44.135cos14)/24=1.78 (mm) （5.17）由于该齿轮用于传动，因此模数应大于等于2.5(mm)，取mn=4（mm）。（4）几何尺寸计算计算中心距 (mm) （5.18） 将中心距圆整为290（mm）按圆整后的中心距修正螺旋角 （5.19）计算大、小齿轮分度圆直径 （mm） （5.20） (mm)计算齿轮宽度 b=dd1=1100
32、 =100 (mm) （5.21） 圆整取 B1=110(mm) ； B2=105(mm) 表5.1 齿轮几何尺寸参数 单位（mm）小齿 大齿 模 中 小齿 大齿轮分 轮分 心 度圆 度圆 轮宽 轮宽 直径 直径 数 距 度 度d1 d2 mn a1 B1 B2100 480 4 290 110 105（5）按齿根弯曲疲劳强度校核： (5.22)式中： 齿根弯曲疲劳应力； Ft齿轮所受到的切向力； YFa斜齿轮的齿形系数； YSa斜齿轮的应力校正系数； Y螺旋角影响系数； b 计算齿宽； mn当量模数； 斜齿轮端面的传动重合度； F齿根弯曲疲劳许用应力； 确定斜齿轮齿形系数和斜齿轮应力校正系数
33、 计算当量齿数zv （5.23） 查机械设计表10-5 知：YFa1=2.592 YSa1=1.596YFa2=2.16 YSa2=1.81 确定螺旋角影响系数，由查机械设计图10-28得：Y=0.88 K=1.879 Ft1=793.46 (N) Ft2=754.74 (N) B1=110 (mm) B1=105 (mm) mn=4 (mm) =1.68 查机械设计图10-20C得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1=500 (MPa)；大齿轮的弯曲疲劳强度极限FE2=380 (MPa) 查机械设计图10-18得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.84、 KFN2=0.88计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲
34、劳安全系数S=1.4F1=(KFN1FE1)/S=(0.84500)/1.4=300 (MPa) （5.24）F2=(KFN1FE1)/S=(0.88380)/1.4=238.8 (MPa)计算： (MPa) （5.25） (MPa) 45HRC，可从表11-7中查得：蜗轮和基本许用应力H=268 （MPa）应力循环次数N=60jn3Lh=60110(830128)=1.3107寿命系数 则 H=KHNH=0.97268=260 (MPa)计算中心距 （mm） （5.27）查机械设计手册3表23.5-4普通圆柱蜗杆传动的参数匹配取中心距 a2=315(mm) m=8 (mm)，蜗杆分度圆直径
35、d3=140 (mm) d3/a2=140/315=0.44 查机械设计图11-18 得ZP=2.38 因为ZPZP 因此，以上计算结果可用。（4）蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸蜗杆轴向齿距Pa=m=3.148=25.133 (mm)直径系数q=d3/m=140/8=17.5 (mm)齿顶圆直径da3=d3+2ha*m=156 (mm)齿根圆直径df3=d3-2(ha*m+C)=120.8 (mm)查机械设计表11-2得蜗杆分度圆导程角r=54238”蜗杆轴向齿厚Sa=m/2=12.56 (mm)蜗轮查机械设计手册3表23.5-4得 z4=61；变位系数X4=+0.125验算传动比 i2=z4/z3=61/1=61这时传动比误差为（61.148-61）/610.0024=0.24% 5%是允许的。蜗轮分度圆直径 d4=mz4=861=488 (mm) 表5.2 蜗杆几何尺寸参数 单位（mm）蜗杆 蜗轮 蜗杆 蜗杆 中 蜗杆 模分度 分度 直径 轴向 心 轴向圆直 圆直 系数 齿距 距 齿厚 数径 径 d3 d4 q pa a2
