張宏強(qiáng)

摘要：轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置是轉(zhuǎn)爐本體系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的結(jié)構(gòu)是否合理直接影響托圈和爐殼的壽命及鋼產(chǎn)量。本文系統(tǒng)介紹了一種新型轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置的結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：連接裝置三點(diǎn)下吊掛靜定系統(tǒng)特點(diǎn)推廣應(yīng)用

0引言

轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置是轉(zhuǎn)爐本體系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，爐體通過(guò)連接裝置與托圈連接。由于爐體重量是公稱噸位的5-8倍，并通過(guò)連接裝置隨托圈傾轉(zhuǎn)加減3600，而且爐殼和托圈在機(jī)械與熱負(fù)荷作用下都將產(chǎn)生變形，因此，對(duì)連接裝置提出要求：連接必須牢固可靠，同時(shí)又要適應(yīng)爐殼和托圈熱膨漲時(shí)在徑向和軸向產(chǎn)生的相對(duì)位移，以免造成爐殼或托圈嚴(yán)重變形和破壞。

另外，連接裝置還存在一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題是：伴隨著爐殼和托圈的變形，在連接裝置中引起傳遞載荷的重新分布，往往造成局部過(guò)載，并由此引起嚴(yán)重變形和破壞。

為了滿足連接裝置的要求，并能較好地克服可能出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)連接裝置時(shí)，應(yīng)保證以下幾點(diǎn)：①保證爐殼、托圈結(jié)構(gòu)合理，提高使用壽命。②保證轉(zhuǎn)爐在任何位置時(shí)，都能將爐體負(fù)荷盡可能均勻地傳遞到托圈，并保持爐體在托圈中的正確位置。③能適應(yīng)爐體在軸向和徑向的脹、縮，不產(chǎn)生曠動(dòng)。④考慮到變形的產(chǎn)生，能以預(yù)先確定的方式傳遞載荷，并避免因靜不定問(wèn)題的存在，而使支承系統(tǒng)承受附加載荷。⑤連接裝置應(yīng)安裝、拆卸方便，加工、維修容易。

目前常用的連接裝置類型：懸掛支撐盤(pán)連接裝置、卡板夾持器連接裝置、薄帶連接裝置、三點(diǎn)球面支承連接裝置、拉桿吊掛連接裝置等。而這些種類的連接裝置都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1一種新型爐體與托圈的連接裝置

1.1結(jié)構(gòu)說(shuō)明該裝置使用在我單位的50噸轉(zhuǎn)爐上，它采用兩組連桿，將爐體吊掛在托圈上。爐體直立時(shí)，靠一組垂直連桿吊掛，爐體傾轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，靠另一組水平連桿吊掛在托圈上。

爐體傾轉(zhuǎn)時(shí)，垂直拉桿與水平連桿及水平導(dǎo)向架一起承受托圈平面內(nèi)的橫向載荷。

圖1所示為連桿在托圈1上的配置情況，爐體5通過(guò)三個(gè)活動(dòng)垂直連桿3吊掛在托圈1上。兩個(gè)活動(dòng)垂直連桿3配置在與耳軸軸線成450的位置，一根連桿3在出鋼口對(duì)面位置上。在驅(qū)動(dòng)側(cè)和非驅(qū)動(dòng)側(cè)各有一個(gè)活動(dòng)水平連桿2。在出鋼口對(duì)面位置的下方設(shè)有一個(gè)水平導(dǎo)向架4，作用是阻止?fàn)t體5在托圈1內(nèi)發(fā)生耳軸方向的擺動(dòng)。爐體5傾轉(zhuǎn)時(shí)，水平連桿2與水平導(dǎo)向架4一起承受托圈平面內(nèi)的橫向載荷。

活動(dòng)垂直連桿3和活動(dòng)水平連桿2的結(jié)構(gòu)型式相同表示在圖2中。

由圖2可知：垂直連桿和水平連桿中的連桿10通過(guò)兩個(gè)球鉸5和兩個(gè)軸6鉸接，軸6又通過(guò)四個(gè)球鉸14分別與兩個(gè)托圈凸耳1及兩個(gè)爐體凸耳17鉸接，用其他零件將各個(gè)球鉸定位且使球鉸處于全封閉狀態(tài)，球鉸全部采用先進(jìn)的耐高溫、免維護(hù)型球鉸軸承。托圈凸耳1焊在托圈的底板上，爐體凸耳17則與爐殼焊在一起。

將水平導(dǎo)向架中的導(dǎo)向快與托圈底板焊在一起，導(dǎo)向支架與爐殼焊在一起。

為了盡量減少爐殼及托圈對(duì)結(jié)構(gòu)使用性能的影響。這種連接裝置安置在托圈的下部也是爐體下部，這里溫度較低，變形較小，對(duì)結(jié)構(gòu)是有利的。這種結(jié)構(gòu)的連桿，在爐體處于一定傾轉(zhuǎn)位置時(shí)，它們會(huì)成為“拉桿”或“壓桿”進(jìn)行工作。

1.2結(jié)構(gòu)分析

1.2.1運(yùn)動(dòng)鏈的建立根據(jù)機(jī)械原理結(jié)合結(jié)構(gòu)說(shuō)明。可以把該裝置看成為由爐體5、托圈1、水平連桿2以及垂直連桿3共七個(gè)構(gòu)件組合而成的一個(gè)閉式空間運(yùn)動(dòng)鏈。在該運(yùn)動(dòng)鏈中，構(gòu)件爐體、托圈與構(gòu)件兩組連桿間是采用…級(jí)運(yùn)動(dòng)副(球鉸)聯(lián)接，構(gòu)件爐體與構(gòu)件托圈間也是采用…級(jí)運(yùn)動(dòng)副(移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)副)聯(lián)接。

1.2.2運(yùn)動(dòng)鏈的簡(jiǎn)化及自由度的確定由理論力學(xué)可知，空間運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件有六個(gè)自由度，即沿×、Y、Z軸的三個(gè)移動(dòng)和繞三個(gè)軸的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。但在該運(yùn)動(dòng)鏈中，由于運(yùn)動(dòng)副的特殊配置(圖1)，即在×OY平面內(nèi)水平導(dǎo)向架4的設(shè)置，使得該運(yùn)動(dòng)鏈中的各構(gòu)件都失去了饒Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)以及沿×軸移動(dòng)的可能性，或者說(shuō)，對(duì)該運(yùn)動(dòng)鏈所有構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)加上了三個(gè)公共約束。由結(jié)1-托圈凸耳2-螺栓3-螺母4-墊片5-軸構(gòu)說(shuō)明可知，由于兩個(gè)水平連承6-軸7-環(huán)8-密封環(huán)9-夾子10-連桿2所起的限制作用是互為桿11-蓋(1)12-蓋(2)13-蓋(3)14-軸承重復(fù)的，即互為虛約束，計(jì)算15-螺栓16-套17-爐體凸耳18-環(huán)時(shí)可除去一個(gè)不計(jì)。兩個(gè)配置圖2水平、垂直連桿結(jié)構(gòu)圖在與耳軸軸線成45°的位置垂直連桿3所起的限制作用是互為重復(fù)的，即互為虛約束，計(jì)算時(shí)可除去一個(gè)不計(jì)。機(jī)構(gòu)中的球餃(圖2中件14)對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)無(wú)任何影響，屬局部自由度計(jì)算時(shí)除去不計(jì)。這樣，該運(yùn)動(dòng)鏈可簡(jiǎn)化成是由N=5個(gè)構(gòu)件組成，公共約束為3，各個(gè)構(gòu)件之間的聯(lián)結(jié)副為V級(jí)副。當(dāng)固定其中之一為機(jī)架后，所?；顒?dòng)構(gòu)件數(shù)為n=N 1=4。對(duì)于這種空間運(yùn)動(dòng)鏈，其自由度的計(jì)算公式應(yīng)為:

式中k為運(yùn)動(dòng)副的級(jí)數(shù)

m為公共約束值

計(jì)算這個(gè)空間運(yùn)動(dòng)鏈相對(duì)于機(jī)架的自由度為

F=(6 3)×4-e5-3)×6=0

因此，這個(gè)自由度為零空間的運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)遣荒墚a(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剛性桁架一靜定系統(tǒng)。

由于該運(yùn)動(dòng)鏈的自由度為零可以得出，在此靜定系統(tǒng)中，各構(gòu)件的位置保持相對(duì)靜止，即爐體和托圈位置以及各個(gè)連桿的位置保持相對(duì)靜止且各構(gòu)件無(wú)多余的約束。因此，當(dāng)以托圈為機(jī)架時(shí)，且托圈繞耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，托圈與爐體的相對(duì)位置保持不變。

1.2.3虛約束和局部約束在靜定系統(tǒng)中的作用實(shí)際應(yīng)用中為使各構(gòu)件受力均衡，增加各構(gòu)件的剛性，改善其受力狀況，因此，采用了虛約束。水平連桿、垂直連桿數(shù)量的增加及對(duì)稱布置和水平導(dǎo)向架的設(shè)置，雖不影響機(jī)構(gòu)的約束，但卻改善了其受力狀況，使每個(gè)連桿的受力減小，增加了其剛性，并且改善了爐體和托圈受力狀況，使其受力均衡，因而增加了整個(gè)系統(tǒng)的剛性。而且三個(gè)垂直連桿3、兩個(gè)水平連桿2以及水平導(dǎo)向架按圖1所示的布置，使得爐體5的中心與托圈1的中心重合，且當(dāng)爐體5、托圈1產(chǎn)生徑向和軸向脹、縮的情況下，各連桿通過(guò)其中的各聯(lián)接副(球鉸)發(fā)生擺動(dòng)，同時(shí)水平導(dǎo)向架4通過(guò)自身聯(lián)接副適應(yīng)爐體和托圈產(chǎn)生徑向和軸向脹、縮，充分地滿足各種變形的需要，并保持爐體和托圈的相對(duì)位置不變且不產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。從而保證該裝置的機(jī)構(gòu)屬性。既使在托圈傾轉(zhuǎn)過(guò)程中，也只是改變各連桿的受力狀態(tài)。而且各連桿的局部約束(連桿兩端的軸的兩端支承各采用一球鉸)，在托圈和爐體脹、縮的情況下，對(duì)該軸不產(chǎn)生附加應(yīng)力，改變軸的工作狀態(tài)。

2新型爐體與托圈的連接裝置的特點(diǎn)

這種連接裝置的特點(diǎn)，在于采取了三點(diǎn)靜定的支承系統(tǒng)，連接裝置中的球鉸的連接能充分地滿足各種變形的需要。因此，從原理上來(lái)講，能更好地滿足上述五點(diǎn)連接裝置設(shè)計(jì)要求。它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

2.1該連接裝置設(shè)置在托圈底部，結(jié)構(gòu)合理，工作環(huán)境相對(duì)較好，并且利于冷卻，又采用了多個(gè)先進(jìn)的耐高溫、免維護(hù)型軸承且這些球鉸軸承處于全封閉狀態(tài)，維護(hù)的工作量小。并且載荷傳遞元件的表面沒(méi)有間隙，從而不產(chǎn)生曠動(dòng)。

2.2轉(zhuǎn)爐在任何位置時(shí)，都能將爐體負(fù)荷盡可能均勻地傳遞到托圈上面，并且從爐殼到托圈的載荷傳遞是靜態(tài)的。

2.3適應(yīng)爐體在軸向和徑向的脹、縮，即使在爐殼非對(duì)稱的膨脹和變形的情況下，并保持爐體在托圈中的正確位置。

2.4考慮到變形的產(chǎn)生，能以預(yù)先確定的方式傳遞載荷，避免了因靜不定問(wèn)題的存在而使支承系統(tǒng)承受附加載荷。

2.5該連接裝置重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件加工制作容易。

2.6由于該連接裝置設(shè)置在托圈的下部，結(jié)構(gòu)合理，工作環(huán)境相對(duì)較好，爐體的變形較小，因此爐體的安裝和更換容易。

2.7該連接裝置的設(shè)置對(duì)托圈的結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何特殊的要求，因而不會(huì)提高托圈的制作難度。

2.8該連接裝置設(shè)置在托圈的下部，利于中、小型轉(zhuǎn)爐的爐體設(shè)置爐帽防熱板和擋渣板：利于大、中型轉(zhuǎn)爐爐體設(shè)置擋渣板及水冷爐帽，提高爐體的壽命。這一點(diǎn)對(duì)大、中型轉(zhuǎn)爐尤為重要。

2.9由于該連接裝置設(shè)置在托圈的下部，使得整體轉(zhuǎn)爐爐體的重心下移，因此利于轉(zhuǎn)爐采用死爐底結(jié)構(gòu)和活爐底中的小爐底結(jié)構(gòu)。

2.10各連桿的局部約束(連桿兩端的軸的兩端支承各采用一球鉸軸承)，能夠適應(yīng)托圈和爐體的變形，使得托圈和爐體在脹、縮的情況下，對(duì)該軸不產(chǎn)生附加應(yīng)力，不改變軸的工作狀態(tài)。

2.11各連桿受力狀況簡(jiǎn)單，均為二力桿。該裝置的缺點(diǎn)，在于系統(tǒng)中只要有一根桿破壞，整個(gè)承載結(jié)構(gòu)就會(huì)失去作用。

因此，對(duì)桿的材質(zhì)、加工、處理提出較高要求，同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中必須經(jīng)常進(jìn)行仔細(xì)檢查，而靜不定結(jié)構(gòu)在個(gè)別地方損壞時(shí)，尚可利用其承載潛力，不致發(fā)生重大事故。

3結(jié)論

該爐體與托圈連接裝置結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單、制作、安裝容易，實(shí)際使用中優(yōu)勢(shì)突出，投產(chǎn)一年多使用正常，托圈和爐體的壽命較采用其它連接型式連接裝置的同等級(jí)轉(zhuǎn)爐相對(duì)延長(zhǎng)，是一種較為理想的爐體與托圈連接裝置。