RH真空处理顶枪升降及旋转机构设计

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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

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RH vacuum Top Gun movements and institutions designed rotary

Abstract

RH vacuum processing is to improve the quality of molten steel one of the ways, it is from Germany's Ruhr steel company and the vacuum pump manufacturers Helawusi jointly 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 movements, 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 chain 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 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

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目录

摘要 ........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................ II 1. 绪 论 ................................................................................................................ 1

1.1 RH法介绍 .................................................................................................................... 1 1.2 RH真空处理装置的特点 ............................................................................................ 3 1.3真空处理设备的工作原理 ........................................................................................... 3 1.4顶枪控制的方法 ........................................................................................................... 4 1.5本课题研究的主要内容 ............................................................................................... 4

2.总体方案设计 .................................................................................................... 5

2.1从运动状态角度分析 ................................................................................................... 6 2.2从加工角度分析 ........................................................................................................... 6 2.3从经济角度分析 ........................................................................................................... 7 3.电动机的选择与计算 ............................................................................................................. 8

3.1计算电动机功率 ........................................................................................................... 8 3.2选择电动机型号 ........................................................................................................... 8

4.传动比的分配及各轴动力参数计算 ................................................................ 9

4.1传动比的分配 ............................................................................................................... 9 4.2从电动机开始计算各轴运动及动力参数 ................................................................... 9

5. 传动系统设计 ................................................................................................. 12

5.1链传动的设计计算 ..................................................................................................... 12 5.2减速器设计计算 ......................................................................................................... 14

5.2.1选择减速器 ...................................................................................................................... 14 5.2.2斜齿圆柱齿轮传动设计 ............................................................................................... 15 5.2.3普通圆柱蜗杆传动设计 ............................................................................................... 21

5.3选择联轴器 ................................................................................................................. 26

5.3.1输入轴联轴器选择 ........................................................................................................ 26

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5.3.2输出轴联轴器选择 ........................................................................................................ 27

5.4选择液压缸 ................................................................................................................. 27

6.主要零件强度校核计算 ................................................................................... 29

6.1输出轴键的连接强度校核 ......................................................................................... 29

6.1.1蜗轮键的校核.................................................................................................................. 29 6.1.2联轴器键的校核 ............................................................................................................. 29

6.2轴承与轴的校核 ......................................................................................................... 30

6.2.1轴承的寿命验算 ............................................................................................................. 31 6.2.2轴的强度校核.................................................................................................................. 33

7.顶枪冷却水控制与安全策略 ........................................................................... 39

7.1 顶枪冷却水控制 ........................................................................................................ 39 7.2 顶枪安全控制策略 .................................................................................................... 40

8.设备可靠性与经济评价 ................................................................................... 41

8.1机械有效度计算 ......................................................................................................... 41 8.2预测投资回收期 ......................................................................................................... 41

结 束 语 .............................................................................................................. 43 致 谢 .................................................................................................................. 44 参考文献 .............................................................................................................. 45

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1. 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，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,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RH—OB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5～10年里,将有7～10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

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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

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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。

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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。

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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）

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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。

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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。

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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

Pw= F·V链=(M+m) ·g·V （3.1） 升降小车所需要的有效功率：

=(2200+1200)×9.8×0.2 =6.664(KW) 装置总效率：η总=η联2η啮η蜗η承7η链η摩 联轴器效率：η联=0.99（弹性） 滚动轴承效率：η承=0.98（滚子轴承） 齿轮啮合效率：η齿=0.98（7级精度） 蜗杆传动效率：η蜗=0.72（单头） 链传动效率：η链=0.93（开式双排链） 对导轨的摩擦效率：η摩=0.97

则总传动效率：η总=η联2η啮η蜗η承7η链η摩 （ 3.2）

=0.99

2

×0.98×0.72×0.987×0.93×0.97＝0.536

pr?pw?6.664?12.295kw （3.3） 所需电动机功率：

?总0.5423.2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。

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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选用传动方案

传动方案如图4.1； 由于链传动比为i炼?1，初定蜗轮蜗杆的传动比为i蜗?61，因此

i齿?293?4.803 614.2从电动机开始计算各轴运动及动力参数

解：0轴：（电机轴）

p0?12.295kw

n0?2930rmin

p012.295?103T0?9.55??9055??40.074N?mn02930

1轴：（减速器高速轴）

p1?p0??联?12.295?0.99?12.172kw

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n0?n02930??2930rmini011

p112.172?103T1?9.55??9.55??39.673N?mn12930

2轴：（蜗杆轴）

p?p?????12.172?0.97?0.98?11.570kw

3轴：（蜗轮轴）

4轴：（链轮轴）

21啮承nn129302?i??610.035r 024.803minTp211.570?1032?9.55?n?9.55??181.138N?m

2610.035p3?p2??承??蜗?11.570?0.98?0.72?8.164kw

n3?n2610.035i??10r 0361minp38.164?103T3?9.55?n?9.55?10?7796.421N?m

3p4?p3??承??联?8.164?0.98?0.99?7.921kw

nn34?i?10?10r 041min?9.55?p47.921n?9.55??103T4?7564.281N?m

410

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表4.1 各轴运动及动力参数

轴序号 功率p

0 12.295 2930 40.074 1 12.172 2930 39.673

2 11.570 610.035 181.138 斜齿轮传动 4.803 0.9506 3 8.164 10 7796.421 蜗杆传动 61 0.7056 4 7.921 10 7564.281 联轴器 1.0 0.9702

联轴器 1.0 0.99

kw 转速nr 转矩TminN?m 传动类型 传动i 效率?

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5. 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。 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=i·z1 =17 ②计算功率Pca

查《机械设计》表9-6得工作情况系数KA=1.3

P链 =Pr·η联2η啮η蜗η承7η链η摩

=12.295×0.992×0.98×0.72×0.987×0.93×0.97

=6.664(KW)

Pca=KA·P链=1.3×6.664=8.663(KW) ③确定链条链节数LP

初定中心距a0=110P, 则链节数为：

Lp?2a0z1?z2Pz2?z12P?2?a() 02?=[2?110PP?17?172]节 =231.33(节)

圆整取LP=232（节） ④确定链条的节距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

（5.1）

（5.2） 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13 页

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=

8.663Pca==6.62(KW) （5.3） KZKLKP0.89?1.24?1.7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) ⑤确定链长及中心距a

L?LP?P1000=232?76.21000=17.68 (m) a?P4[(Lz?z2z?z22z?zP?12)?(L1P?2)?8(212?)2] =76.24?[(232?17?172)?(232?17?172)2?8(17?172?)2]

=8191.5 (mm)

=8.19 (m)

中心距减少量：Δa=(0.002~0.004)a

=(0.002~0.004)×8.19 =0.0164~0.0328 (m)

实际中心距： a’=a-Δa+12L小车（3.3） =8.19-(0.0164~0.0328)+ 12? 1.9

=9.1564~9.1728 (m)

取 a’=9.16 (m)

（5.4）

（5.5） （5.6）

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⑥验算链速

V?n1?z1?P (5.7)

60?1000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）

V?n1?z1?P10?17?76.2 ??0.2 m/s （5.8）60?100060?1000与原假设相符 ⑦计算链轮上的压轴力

FP=KFP·Fe (5.9) 式中： Fe——链传递的有效圆周力，单位N

KFp——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×

链垂直布置： KFP=1.05

FP=KFP·Fe=1.05×33320=34986 (N) （5.11）

⑧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

⑨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。

P链V?1000?6.664=33320 (N) （5.10）

0.25.2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，再加一级斜齿圆柱齿轮

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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 ①按图1的传动方案，选用斜齿圆柱齿轮

②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）。 ③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 ④选小齿轮齿数z1=24，大齿轮齿数z2=i1×z1=4.803×24=115.272 取z2=115 （2） 按齿面接触强度设计

d1t?3式中：

Kt——载荷系数；

2KtT1i?1ZHZE2 (5.12)

??()?d?ai[?H]T1——小齿轮的转矩； фd——齿宽系数； i——齿轮的传动比； ZH——区域系数；

ZE——材料的弹性影响系数；

??H?——接触疲劳寿命系数；

①试选Kt=1.6

②由《机械设计》图10-30选区域系数ZH=2.433

③取β=14°，由《机械设计》图10-26查得εα1=0.78,εα2=0.90则εα=εα1+εα2=1.68 ④计算小齿轮传递的转矩

T1=95.5×106

P1=

95.5×106×12.295/2930=4.0×104 ?N?mm? n1 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 16 页

⑤由《机械设计》表10-7选系数φd=1

⑥由《机械设计》表10-6选取材料的弹性影响系数ZE=189.8(MPa1/2)

⑦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σHlim1=600 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限σHlim2=550 MPa ⑧计算应力循环次数

N1=60n1jLh=60×2930×1×(8×30×12×8)=4.107×109 N2=(4.05×109)/4.88=0.855×109

⑨查《机械设计》由图10-9取接触疲劳寿命系数 KHN1=0.90 KHN2=0.95 ⑩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

[σH]1=(KHN1·σHlim1)/S=(0.90×600)/1=540 （MPa） [σH]2=(KHN1·σHlim2)/S=(0.95×550)/1=522.5 （MPa） [σH]=([σH]1+[σH]2)/2=531.25 (MPa)

（3）相关参数计算

①试算小齿轮分度圆直径d1t由计算公式得

42?1.6?4.0?105.8032.433?189.82 （5.13） d1t?3 ??()1?1.684.803531.25= 41.150 (mm)

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②计算圆周速度

V???d1t?n1?3.14?41.150?2930?6.31 (m/s) （5.14）

60?100060?1000③计算齿宽b及模数mnt

b=фd·d1t=1×41.150=41.150 (mm) mnt=(d1t·cosβ)/Z1=(41.150×cos14°)/24=1.66 (mm)

h=2.25mnt=3.74 (mm) b/h=41.150/3.74=11.00 ④计算纵向重合度εβ

εβ=0. 318·фd·z1·tanβ=0.318×1×24×tan14°=1.903

⑤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KHβ齿向载荷分布系数的计算公式

KHβ=1.12+0.18(1+0.6фd2)фd2+0.23×10-3b =1.12+0.18(1+0.6×12)×12+0.23×10-3×44.2 =1.42 由图10-13查得 KFβ=1.35

5.15）

（ 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 18 页

由表10-3查得 KHα=KFα=1.2

因此计算载荷系数 K=KA·KV·KHα·KHβ=1×1.16×1.2×1.42=1.97 ⑥按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径

d1.971?d1t?3KK?41.150?3?44.135 (mm) t1.6⑦计算模数mn

mn=(d1·cosβ)/z1=(44.135×cos14°)/24=1.78 (mm) 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 ①计算中心距

a(z1?z2)?mn1?2?cos??(24?115)?42?cos14??286.51 (mm) 将中心距圆整为290（mm） ②按圆整后的中心距修正螺旋角 ?'?arccos(z1?z2)?mn(242a?arccos?115)?42?290?16.54??16?32'4\ ③计算大、小齿轮分度圆直径

dz1?mn24?41?cos?'?cos16.54??100 （mm） 5.16）

5.17）

5.18） 5.19） 5.20） （ （ （ （ （ 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19 页

d2?z2?mn115?4??480 (mm) 'cos?cos16.54?④计算齿轮宽度

b=фd·d1=1×100 =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 B2 100 480 4 290 110 105

（5）按齿根弯曲疲劳强度校核：

?F?K?Ft?YFa?YSa?Y?b?mn????[?F] (5.22)

式中：

?F——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； Yβ——螺旋角影响系数；

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20 页

b—— 计算齿宽； mn——当量模数；

??——斜齿轮端面的传动重合度； [σF]——齿根弯曲疲劳许用应力； ① 确定斜齿轮齿形系数和斜齿轮应力校正系数 ② 计算当量齿数zv

zv1=z1=24=27.24 （5.23） =130.54

cos?3cos316.54?3zv2=z2cos?3=115cos16.54? 查《机械设计》表10-5 知：YFa1=2.592 YSa1=1.596

YFa2=2.16 YSa2=1.81

③ 确定螺旋角影响系数，由???1.903查《机械设计》图10-28得：Yβ=0.88 ④ K=1.879

⑤ Ft1=793.46 (N) Ft2=754.74 (N) ⑥ B1=110 (mm) B1=105 (mm) ⑦ mn=4 (mm) ⑧ εα=1.68

⑨ 查《机械设计》图10-20C得小齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1=500 (MPa)；大齿轮的

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 21 页

弯曲疲劳强度极限σFE2=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，取弯曲疲劳安全系数S=1.4

[σF1]=(KFN1·σFE1)/S=(0.84×500)/1.4=300 (MPa) （5.24） [σF2]=(KFN1·σFE1)/S=(0.88×380)/1.4=238.8 (MPa)

计算：

?F1?1.879?793.46?2.592?1.596?0.88?7.34 (MPa)

105?4?1.68 因此，该齿轮满足要求。 5.2.3普通圆柱蜗杆传动设计 （1）选择蜗杆传动类型

根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI） （2）选择材料

蜗杆用45号钢，因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45~55HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。 （3）按齿面接触疲劳强度进行设计

根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 22 页

传动中心距：

?Z?Z a?3KT?E?? (5.26) ?222????H???式中：

K——载荷系数；

T2——作用在蜗轮上的转矩； ZE——弹性影响系数； ZP——接触系数；

[σH]——接触疲劳寿命系数；

① 确定作用在蜗轮上的转矩 Ⅲ轴（即减速器输出轴）

T3=(9.55×106·P3)/n3 =(9.55×106×P3)/(n电/i总)

=(9.55×106×8.164)/(2930/293)=7.8×106② 确定载荷系数K

因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数Kβ=1； 查《机械设计》表11-5选取KA=1.15， 由于转速不高，冲击不大。取KV=1.05

(N·mm)

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 23 页

则 K=KA·Kβ·Kv=1.15×1×1.05=1.21 ③确定弹性影响系数ZE

因选用铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故ZE=160（MPa1/2） ④确定接触系数ZP

先假设蜗杆分度圆直径d3和传动中心距a2的比值d3/a2=0.3 查《机械设计》图11-18中查得ZP=2.78 ⑤确定许用接触应力[σH]

根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1。金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度>45HRC，可从表11-7中查得：

蜗轮和基本许用应力[σH]′=268 （MPa）

应力循环次数N=60jn3Lh=60×1×10×(8×30×12×8)=1.3×107

710?8?0.97 71.3?10寿命系数 KHN则 [σH]=KHN·[σH]′=0.97×268=260 (MPa) ⑥计算中心距

a2?31.21?7.8?106?(160?2.78)2?302.24（mm） （5.27）

260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

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 24 页

取中心距 a2=315(mm) m=8 (mm)，蜗杆分度圆直径 d3=140 (mm) d3/a2=140/315=0.44 查《机械设计》图11-18 得ZP′=2.38 因为ZP′

轴向齿距Pa=π·m=3.14×8=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=5°42’38”

蜗杆轴向齿厚Sa=π·m/2=12.56 (mm)

②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）/61≈0.0024=0.24%< 5%是允许的。

蜗轮分度圆直径 d4=mz4=8×61=488 (mm)

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 25 页

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 sa mn 140 488 17.5 25.133 315 12.56 8

（5）按齿根弯曲疲劳强度校核：

?F?1.53K?T2YFa2Y????F? (5.28) d3d4式中：

σF——齿根弯曲疲劳应力； YFa2——齿形系数； Yβ——螺旋角系数；

[σF]——齿根弯曲疲劳许用应力；

当量齿数zV4=z4/cos3γ=61/ cos3 5°42’38”=61.83 查《机械设计》图11-19 得：齿形系数YFa2=2.25

螺旋角系数Yβ=1-(5°42’38”/140°)=0.9592 许用弯曲应力[σF]=[σF]′·KFN 查《机械设计》表11-8得ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应 力[σF]′=56 （MPa）

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 26 页

寿命系数 ：

KFN107 ??0.58 （5.29）88.3?108[σF]=56×0.58=32.48（MPa）

1.5?31.?21?2.5110?2.25?0.95?92 ?F?140?488 1（MPa） （5.30） 2.28σF < [σF] 齿根弯曲强度满足要求。

（6）确定精度等级公差

考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器从GB/T10089-1988圆柱蜗杆，蜗轮精度选择8级，侧隙种类为f标注为8f GB/T10089-1988

5.3选择联轴器

5.3.1输入轴联轴器选择 1、类型选择

为了隔离振动与冲击，选用弹性套柱销联轴器。 2、载荷计算

公称转矩 T?9.55?103p15?9.55?103N?m?48.89N?m n2930由[机械设计]表14-1查得KA?1.9，故由式Tca?KA?T?Tmax得计算转矩为 Tca?KA?T? m （5.31） 1.9?48.8N9?m?92.N8 ?93、型号选择

从GB4323-85中查得TL8型弹性套柱销联轴器的许用转矩为710N?m，许用最大转速为

3000rmin，轴径为45~63mm 之间，故合用。

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 27 页

5.3.2输出轴联轴器选择 1、类型选择

为了隔离振动与冲击，选用弹性套柱销联轴器 2、载荷计算

公称转矩 T?9.55?103p8.164?9.55?103N?mm?7796.421N?m n10由[机械设计]表14-1查得KA?1.9，故由式Tca?KA?T?Tmax得计算转矩为

Tca?KA?T?1.9?7796.421N?m?14813.20N?m

3、型号选择

从GB4323-85中查得TL13型弹性套柱销联轴器的许用转矩为16000N?m，许用最大转速为1150rmin，轴径为120~170mm之间，故合用。

5.4选择液压缸

查《机械设计手册1》表7.2-7 得：钢的摩擦系数μ=0.15 旋转机构的总质量 m总=m顶枪+m小车+m机架 （ 5.32）

=1200+2200+8410 =11810（kg）

正压力：N=m总·g=11810×9.8=115.7(KN) （5.33） 摩擦力：f=μ·N=0.15×115.7=17.4(KN) 估计液压缸的最大行程：S=1250（mm）

估计液压缸距机架轴承上的摩擦圆距离L=70（mm） 滑动轴承直径D=120（mm）

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 28 页

计算摩擦力的转矩：Tf=Ff·D/2 （5.34）

=17.4×60 =1044 (N·m)

计算液压缸所需的推力：F=T/L （5.35）

=1044/0.07 =14914 (N·m) ≈15 (KN)

查《机械设计手册5》表37.7-15 估选冶金设备标准液压缸

表5.3 液压缸型号尺寸

缸径Фal 活塞杆直径 最大行程 推力 拉力 工作压力 （mm） （mm） （mm） （KN） （KN） （MPa） 80 56 1360 80．42 41．02 16

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 29 页

6.主要零件强度校核计算

6.1输出轴键的连接强度校核

6.1.1蜗轮键的校核

解:1.选择键连接的类型和尺寸

一般8级以上精度的齿轮有定心要求,应选用平键连接.由于齿轮不在轴端,故选用圆头普通平键(A型)

根据d=150mm从??机械设计手册3??从表21?3-4中查得键盘的截面尺寸为:宽度

b?40mm，高度h?22mm。由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长L?135mm

2.校核键连接的强度

键、轴和轮毂的材料都是钢，由??机械设计??表6-2查得许用挤压应力

???p???100~120MPa，取其平均值，???p???110MPa。键的工作长度

l?L?b?135?40?95mm，键与轮毂的接触高度k?0.5h?0.5?22?11mm；由式

2T?103?p?可得：

kld332T3?102?7796.4?2110 ?p???99.MPa5???p??? (6.1) kld11??13?5?4?0150 因此该键符合要求。 6.1.2联轴器键的校核

解:1.选择键连接的类型和尺寸 选用圆头普通平键(A型)

根据d=120mm从??机械设计手册3??从表21?3-4中查得键盘的截面尺寸为:宽度

b?32mm，高度h?18mm。由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键长L?120mm

2.校核键连接的强度

键、轴和轮毂的材料都是钢，由??机械设计??表6-2查得许用挤压应力

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 30 页

???p???100~120MPa，取其平均值，???p???110MPa。键的工作长度

l?L?b?180?32?148mm，键与轮毂的接触高度k?0.5h?0.5?18?9mm；由式

2T?103?p?可得：

kld2T3?1032?7796.421?103 ?p???97.55MPa???p???kld9??180?32??120 因此该键符合要求。

6.2轴承与轴的校核

图6.1传动系统受力图

2T22?181.138?103因为Ft3???2587.69N 所以Fa4?Ft3?2587.69N

d31402T32?7796.421?103因为Ft4???31952.55N 所以Ft4?31952.55N

d4488Fr3?Fr4?Ft4?tan??31952.55?tan20??11629.78N 所以Fr4?11629.78N

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 31 页

6.2.1轴承的寿命验算

图6.2轴承受力分析图

V面:

图6.3竖直面受力图

d4?Fa4?Fr4?278.5 则 Frv1?4672.93N 2d?FFrv2?(279.5?278.5)?4a4?Fr4?279.5 则 Frv2?6956.85N

2Frv1?(279.5?278.5)?H面:

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 32 页

图6.4水平面受力图

FrH1?Ft4?278.5(279.5?278.5)?31952.55?278.5558?15947.64N

FrH2?Ft4?279.5(279.5?278.5)?31952.55?279.5558?16004.91N 则 Fr1?22F2?rv1?Fr1H?4672.93159427?.6416N 618.1722Fr2?Frv6956.842?16004.912?17451.50N 2?FrH2?

图6.5轴承合成受力图

(1)查??滚动轴承应用手册??表A-24得该圆锥滚子轴承型号为32226 e=0.44 Y=1.4

C=345000N (2)计算轴承轴向载荷

Fd1?Fr116618.17??5935.N0 6 （6.2） 2Y2?1.4F17451.50Fd2?r2??6232.68N

2Y2?1.4两轴承的轴向力为:

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 33 页

Fa1?max 8（6.3）ax5935.06;2?587.6688 20.37?Fd1;Fae?F??9?6232. N2d?m?Fa2?max?Fd2;Fd1?Fae??max?6232.68;5935.06?2587.69??6232.68N

(3)求轴承当量动载荷p1和p2 由e=0.44得

Fa18820.37??0.53?e （6.4） Fr116618.17Fa26232.68??0.35?e Fr217451.50根据??机械设计??表13-5得径向载荷系数和轴向载荷系数 对称轴1 X1?0.4 Y1?1. 4对称轴2 X2?1 Y 2?0因轴承运转中有中等冲击载荷,由??机械设计??表13-6得fp=1.2~1.8 取fp=1.5 则

p1?fp(X （)1?1.5?(0.?41661?8.17?1.48?820.37N)6.52）8 493.681Fr1?Y1aFp2?fp(X2Fr2?Y2Fa2)?1.5?1?17451.50?26177.25N

(4)验算轴承寿命:

因为p1>p2所以按轴承1的受力大小验算 由??机械设计??表13-4查得ft?1.0，

6fC10??103；根据轴承寿命公式Lh?(t)?求得轴承的寿命为：

60np1106ftC?1061.0?345000103Lh?()??()?6793348.97h?Lh??30?12?8?8?h?23040h

60np160?1028493.68'故所选轴承满足寿命要求

6.2.2轴的强度校核 1按扭转条件校核:

33 d?A0p95500030?3?n0.2??t?8.164?3109?5500008.1641?15.9m6m （6.6）

0?.2?2510 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 34 页

2按弯扭条件计算 （1）做出轴的计算简图 （2）做出弯矩图 （3）做出扭矩图

图6.6轴的载荷分析图

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 35 页

表6.1轴上载荷参数

载荷 水平面H 垂直面V

支反力F FrH1?15947.64N;FrH2?16004.91N FrV1?4672.93N；FrV2?6975.85N

弯矩M MH?4457365.38N?mm； MV1?1937482.73N?mm；MV2?1306086.37N?mm 总弯矩 M1?4457365.382?1937482.732?4860241.30N?mm

M2?4457365.382?1306086.372?4644778.55N?mm

扭矩T T?7796421N?mm

3 按弯扭合成应力校核的强度

进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即危险截面C)的强度.根据式

?M???T??ca????4????W??2W?22M2???T?W2????1?及上表中的数据,以及轴单向旋转,扭转切

应力为脉动循环变应力,取?=0.6,轴的计算应力 ?ca?M12???T3?W2?4860241.302??0.6?7796421?0.1?15032MPa?6.99MPa （6.7）

前已选定轴的材料为45钢,调质处理,由表查得???1??60MPa。因此?ca????1?，故安全。 4 精确校核轴的疲劳强度 （1）判断危险截面

截面A，B只受扭矩作用，虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕确定的，所以截面A，B均无需校核。 从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面C处过盈配合引起的应力集中最严重。因而只需校核截面C左右即可。 （2）校核C截面（左侧） 截面上的弯曲应力： ?bc?M1M14860241.30??MPa?22.12MPa （6.8） 33W0.1?d0.1?130 截面上的扭转切应力：

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 36 页

?Tc?M1T7796421.30??MPa?17.74MPa WT0.2?d30.2?1303轴的材料为45钢，调质处理。由[机械设计]表15-1查得?B?640MPa，??1?275MPa

??1?155MPa

截面上由于轴肩而形成理论应力集中系数??和??按附表3-2查取。因

D150??1.15，经插值后可查得 d130r10??0.077，d130???2.1 ???1.3 1又由[机械设计]附图3-1可得轴的敏性系数为

q??0.82 q??0.8 5故有效应力集中系数由[机械设计]附表3-4得

k??1?q?????1??1?0.82??2.1?1??1.90 k??1?q?????1??1?0.85??1.31?1??1.26

由[机械设计]附图3-2的尺寸系数???0.56；由[机械设计]附图3-3的扭转尺寸系数

???0.76

轴按磨削加工，由[机械设计]附图3-4得表面质量系数为

??????0.92

轴未经表面强化处理，即?q?1，则按式k??k?1k????1???1和k??k????1???1得综合系数为

k????k????1?1?1.90?0.561 8 （6.9） ?1?3.40.92k????????1?1.261??1?1.74 0.760.92又由[机械设计]§3-1及§3-2得碳钢的特性系数

???0.1~0.2 取???0.1

???0.05~0.1 取???0.05

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 37 页

于是，计算安全系数Sca值，按式S????1??1和S??则得

k???a?????mk???a?????m S????1275 ??3.57 （6.10）

k???a?????m3.48?22.12?0.1?0S????1155??9.76

k???a?????m1.74?17.74?0.05?17.7422S??S?S??S?22Sca?故可知其安全。

（3）校核C截面（右侧） 截面上的弯曲应力：

?3.57?9.763.57?9.7622?3.35??S?1.5

?bc?M1M14860241.30??MPa?14.40MPa W0.1?d30.1?1503 截面上的扭转切应力：

?Tc?M1T7796421??MPa?11.55MPa WT0.2?d30.2?1503轴的材料为45钢，调质处理。由[机械设计]表15-1查得?B?640MPa，??1?275MPa

??1?155MPa

截面上由于轴肩而形成理论应力集中系数??和??按附表3-2查取。因

D150??1.15，经插值后可查得 d130r10??0.067，d150???2.1 ???1.3 1又由[机械设计]附图3-1可得轴的敏性系数为

q??0.82 q??0.8 5故有效应力集中系数由[机械设计]附表3-4得

k??1?q?????1??1?0.82??2.1?1??1.90 k??1?q?????1??1?0.85??1.31?1??1.26

由[机械设计]附图3-2的尺寸系数???0.56；由[机械设计]附图3-3的扭转尺寸系数

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 38 页

???0.76

轴按磨削加工，由[机械设计]附图3-4得表面质量系数为

??????0.92

轴未经表面强化处理，即?q?1，则按式k??k?1k????1???1和k??k????1???1得综合系数为

k???????1?1?1.901??1?3.48 0.560.92k??k???????1?1.261??1?1.74 0.760.92又由[机械设计]§3-1及§3-2得碳钢的特性系数

???0.1~0.2 取???0.1

???0.05~0.1 取???0.05

于是，计算安全系数Sca值，按式S????1??1和S??则得

k???a?????mk???a?????mS????1275??5.49

k???a?????m3.48?14.40?0.1?0 S????1155??14.99

k???a?????m1.74?11.55?0.05?11.5522S??S?S??S?22 Sca?故可知其安全。

?5.4?914.99?5.1??6S?225.49?14.99 51.因此，判定此轴满足强度校核，是安全的。

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7.顶枪冷却水控制与安全策略

7.1 顶枪冷却水控制

加热时顶枪要下到真空室内的温度很高（1100～1300℃），因此顶枪采用水冷方式进行冷却，以免顶枪被烧坏。但是，若在处理期间发生漏水事故，后果不堪设想，所以顶枪冷却水进水管道和出水管道上分别安装了1台电磁流量计，测量顶枪冷却水的进、出水流量，并在PLC中监视二者的流量差，一旦流量超限，则立即关闭进水阀，打开出水阀，同时将枪提到安全位置。冷却水流量差的算法如下。

过滤器的算法公式为：

F?1T??x?y?dt (7.1)

式中：F为T时间周期内的累积误差的平均值；

X为某时刻的进水流量； Y为某时刻的出水流量。 其数字化算法如下：

△Flow1=Yk+1=F(Yk，Xk)=A1×Yk+A2×Xk （ 7.2）

△Flow2=Yk+1=F(Yk，Xk)=B1×Yk+B2×Xk △Flow3=△Flow1-△Flow2

上式中，△Flow1为2s内的流量差平均值；

Ａ1=T1/(T1+△t);A2=△t/(T1+△t),△t为采样周期。△Flow2为20min内的流量差平均值；B1=T2/（T2+△t）；B2=△t/（T2+△t）。△Flow3为20min中内的累积流量差平均值与2s内的累积流量差平均值的差值。

令T1=2s，T2=20min=1200s,△t=0.1s,则

△Flow1=(2/2.1)×Yk+(0.1/2.1)×Xk

△Flow2=(1200/1200.1)×Yk+(0.1/1200.1)×Xk

针对上述算法专门编写了一个功能块，将该功能块放在

OB35(100ms)执行一次。

程序中监视△Flow3、△Flow2的值，

当△Flow3>0.9m3/h，或当△Flow2>1.2m3/h时，则表明顶枪漏水，

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这时候必须将顶枪提到安全位置（停放位）。

7.2 顶枪安全控制策略

1．RH的顶枪，在非处理阶段主要对真空室进行升温加热；在处理阶段，顶枪停放主要对真空室的顶部。在顶枪内壁通有冷却水。这样，顶枪的安全性需要从两方面考虑： （1）顶枪加热时，煤氧燃烧的安全

（2）设备冷却水的安全；这两方面出现故障时都可能引起爆炸。因此，本套顶枪系统采取如下安全策略。

2．顶枪加热燃烧方面的安全控制策略有：

（1）在真空处理期间，需要用N2对顶枪枪头进行吹扫，防止顶枪枪头被真空处理过程中产生的喷溅物堵塞；顶枪加热前和加热结束后，需要用N2对顶枪进行定时吹扫，清扫管道中的煤气。气体通断由PLC通过切断阀进行控制。

（2）如果真空时温度不大于800℃，顶枪烧嘴禁止使用。真空室内壁温度测量必须符合德国DVGW标准。

（3）煤气阀和氧气阀必须由烧嘴控制单元直接控制，严禁采用PLC进行控制。出于从安全角度考虑，顶枪燃烧控制单元采用德国SMS MEVAC公司针对顶枪特性专门研制的基于硬逻辑方式的控制器，完全避免了软逻辑带来的危险。

（4）当点火命令发出15s后，如果没有检测到火焰，顶枪控制单元会产生一个故障信号来切断氧气、煤气阀门，顶枪提升到停放位。此功能只能用硬件定时器实现，严禁采用PLC系统来实现该功能。该功能基于欧洲标准，主要是为了安全。

（5）顶枪燃烧出现故障后，必须利用真空系统（真空室、真空泵）进行吹扫，吹扫过程由喷射泵完成。吹扫4min后，废气流量达到5000kg/h，吹扫过程结束，才能重新使用加热系统。

（6）对氧气、煤气的压力范围进行严格规定，避免介质压力波动给系统带来影响。 3．顶枪冷却水方面的安全控制策略有：

（1）冷却水流量低于认定值的80%时，切断氧气煤气源，提枪到停放位。 （2）冷却水流量高于认定值的120%时，切断氧气、煤气源，提枪到停放位。 （3）冷却水进出水流量差大于正常流量的2%，切断氧气、煤气源，提枪到停放位。 （4）出水温度大于80℃时，报警提示。

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8.设备可靠性与经济评价

8.1机械有效度计算

对于可修复设备，由于发生故障之后，可以修理恢复到正常工作状态。因此，从开始工作到发生故障阶段即可靠度，从发生故障后进行维修到正常工作阶段即维修度。把两者结合起来，就是机械设备的有效度（有效利用率）。 A?MTBF?100% (8.1)

MTBF?MTTR式中：MTBF——平均故障间隔期（h） MTTR——平均维修时间（h）

设机械设备工作时间为12000h，可能发生12次故障，每次处理时间平均10h，检修时间300h。

MTBF=12000/12=1000（h） （8.2） MTTR=（300+120）/12=35（h）

A?MTBF?100%=1000/（1000+35）=96.7%

MTBF?MTTR8.2预测投资回收期

表5.1 投资回收资金

时间（年） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

投资 1500 1500

年收益 800 1000 1500 1500 1500 1500 1500 1500 净收益 -1500 -3000 -2200 -1200 300 1800 3300 4800 6600 9100

投资回收期（Pt）=[累计净现金流量开始出现正值的年份数]-1+

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[上年累计净现金流量的绝对值/当年净现金流量]

=（5-1）+1200/1500=4.8 (年) PC——行业投资回收期，重型机械PC=17年 ∵Pt< PC ∴经济性符合要求。

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结 束 语

氧枪是转炉炼钢过程中必不可少的设备，吹氧条件的好坏直接影响产品质量和其生产能力。本设计以实际生产中的氧枪为设计基础，按照机械设计的要求，对氧枪升降及旋转机构进行了设计与校核。

本次设计是对大学四年学习生活的一次综合的考核，也是一次理论与实践相结合的运用，他要求我们能够运用四年来所学的各种知识，在指导老师的热心帮助下，在下厂实际实习的基础上，通过积极的向现场工作人员提问，认真的总结，严肃的对待，终于完成了本次设计工作的要求。

通过本次设计我完成了氧枪升降及旋转机构总图、链轮箱、升降小车装配图、RH真空顶枪机构、减速器设计等多张图纸的绘制，熟练的掌握了CAD绘图工具。并通过设计说明书和排版熟练的掌握了OFFICE2003的各种操作技巧。

同时，通过对本次课题的研究以及论文的撰写，使我深切领悟到机械系统工作机理的复杂性、机械系统现代化设计方法的重要性，深切感到自己的专业知识还有待进一步加强。由于个人能力有限，设计中可能有一些欠缺和不足之处，敬请各位老师和专家批评指正。

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致 谢

在大学四年的短暂时光里，感谢学校和老师们的教育和培养。在这期间使我增长了知识、开阔了视界。在此，感谢学校和老师的教育，使我成为了一名合格的大学毕业生。毕业设计是对大学四年学习的总结，本次毕业设计我得到了陈东老师和鞍山一炼钢厂工人师傅的鼎立帮助。在毕业设计中，老师们渊博的学识和悉心的指导，使我对知识的把握更清晰准确。在老师的细心指导和耐心帮助下，使我在毕业设计期间取得了很大的进步。我的毕业设计能够很好、很快的完成和老师的认真耐心、不辞辛苦、详细周全的指导是密不可分的。

我即将踏出校园，投入社会。此时此刻回眸大学，老师的谆谆教导，同学们的无私关怀，这一切我都将铭记于心。铭记各位老师的教诲，不辜负学校、老师对我的培养，努力做一番事业，为校争光。

最后，再一次向学校以及各位评审老师，指导老师致以最深切的敬意和由衷的感谢。

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参考文献

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[7] 罗振才主编. 炼钢机械. 北京：冶金工业出版社，1989 [8] 严允进主编. 炼铁机械. 北京：冶金工业出版社，2007.1 [9] 管克智主编. 冶金机械自动化. 北京：冶金工业出版社，1998.8 [10] Based on the sound intensity of the BOF lance gun-control expert system

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Based on the sound intensity of the BOF lance gun-control expert

system

Converter process for blowing oxygen-gun gun control, I use furnace slag noise strength and thickness of the furnace, the relationship between the establishment of oxygen gun gun experts, to achieve the oxygen in the gun operation, and to prevent splash back to stem the phenomenon of Happened to optimize oxygen guns blowing process. Simulation analysis showed that the smooth operation of the system can lance, and returned to inhibit splash stem better results for the converter blowing oxygen gun control process provides an effective method.

Oxygen blowing slagging process is oxygen BOF one of the key technology, slagging converter steel-making process is an important part of Java will have a direct bearing on the smooth steel-making process, sometimes even causing excess slag Or splash, thereby reducing the yield of steel and stick to the gun. Lance gun-control directly related to steel-making process of decarbonization, slagging, the occurrence of warming up and splash. Therefore, we must very good control of the gun-lance so that the steel-making process to be smooth. Blowing process is a complex chemical reaction, the model is non-linear, different converter There is great difference between, it is difficult to use the model to an accurate description of the traditional control methods used in the fixed gun-control oxygen Top Winds converter in the application of results were not very satisfactory.

In this paper, based on the sound intensity of the oxygen-gun gun control expert system, through the converter slagging process and the relations between the furnace mouth noise analysis to detect the noise of the furnace mouth-to judgement as an expert system based on the establishment of a Application BOF lance in the gun-control expert system, simulation analysis shows that the system can achieve the oxygen-gun gun control. 1 lance gun-control:

Converter in the blowing process, the bubble degree of slag and splash back to the stem or have close relations, but also blowing the key to the success or failure. The degree of control foam to control the content of FeO, FeO and oxygen content of the guns-guns also had

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