钢包回转台文献综述

钢包回转台举升机构

1 前言

钢包回转台是炼钢厂的关键设备，位于炼钢跨和连铸跨之间，用于承接钢包并实现连续浇铸。其作用是将炼钢跨送来的盛满钢水的钢包送至连铸跨的浇铸位置, 钢水浇铸完后, 通过转台的回转, 将空包送回炼钢跨。当钢水浇注结束后，经设备旋转将空钢包送回炼钢跨，同时将新的盛满钢水的钢包送到连铸跨，从而保证连铸机连续浇注生产[1]。

在近代连铸设备中采用钢包回转台具有如下特点：

1）它能迅速准确的将载满钢水的钢包运送至浇钢位置，并在浇钢过程中支承钢包；

2）更换钢包迅速、能适应多炉连浇的需要；发生事故或断电时，能迅速将钢包移至安全位置；

3）能实现保护浇注，并通过安装钢水称重装置，浇注更顺利； 4）占用浇铸平台面积小，有利于浇注操作[2]。

由于钢包回转台在连铸生产中被广泛采用，因此其结构的可靠性、安全性，以及制造的合理性、经济性已成为国内许多设计单位关心的问题。

2 钢包回转台主要型式

钢包回转台按驱动装置可分为单驱动和双驱动两种，按转臂结构可分为整体摆动式和双臂摇摆式[3]。

图1所示为双臂摇摆式回转台的一种，又称为蝶式回转台。该回转台的双臂可单独回转、升降，也可以同时回转、升降，是现代钢铁行业应用最为广泛的钢包运载装置[4]。转臂有使钢包保持水平的结构。回转台的下部由转盘、底座组成，中间用止推轴承链接，转盘上的销轴链接左、右两个臂，两个臂的升降由两端铰接的液压缸来推动。

图1 蝶形回转台结构示意图

1- 钢包；2-横梁；3-测压仪；3-托梁；4-升降装置；5-转台；6-底座；7-回转接头

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图2所示为整体转臂式回转台（单驱动式），又称直臂式钢包回转台，直臂式钢包回转台的两个钢包支承在同一直臂的两端，同时作旋转和升降运动，一般来说，没有升降功能的回转台多采用这种型式,但也可在直臂的两端设置升降装置[10]。凡是钢水需要过跨的连铸机一般都选用这种回转台。

图2 直臂式回转台结构示意图

1-直臂；2-止推轴承；3-底座；4-驱动装置；5-定位装置

多功能回转台指带有吹气调温、钢包加盖、钢包倾翻以及快速更换中间包等功能之一的钢包回转台。

钢包回转台由回转部分、固定部分、润滑系统和电控系统所组成。正常工作时由电力驱动，发生故障时马达开始工作，以保证生产安全。转臂的升降用机械或液压驱动，为保证回转台定位准确。驱动装置设有制动和锁定机构。

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3 钢包回转台分析方法

目前代表世界最先进技术的钢包回转台的机型主要有VAI（奥钢联）机型、DANIELI（达涅利）机型、SMSD（德马克）机型以及JSP（日本）机型等。虽然各种机型钢包回转台外形比较接近，但其主体钢结构、传动、升降及制动系统均有本质上的区别[6]。要对钢包回转台进行分析研究，必须对各种机型的回转台进行了解，据此可在不同的阶段对不同机型钢包回转台的制造提出相应的要求，也可为技术人员的结构分析等提供借鉴。

在对钢包回转台进行理论分析的时候，一般根据设备的如下三种典型载荷工况进行，

1）高位放包且满包钢水，低位无钢包； 2）单边高位满包钢水，低位空包； 3）高位、低位双边均满包钢水[7]。

在以上三种典型情况下，一般来说，钢包回转台结构分析计算方法主要有两种，一种是整体建模分析，即一个分析模型中包含了例如图3所示的8种主要部件，采用刚性连接或接触模式解决部件间装配、连接关系，用实体和板壳单元模拟结构本体。直接在叉臂前端施加钢包(含钢水) 重力，一次完成所有主要部件分析计算，载荷简化工作量小。

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另一种计算方法是从叉臂到底座逐个校核优化。分部件计算，直接受载的叉臂易处理，而远离钢包的底座、地脚螺栓的受力就需要从叉臂座包处向回转台中心简化。对于H型转臂，单侧受载时直接进行力的平移，在转台顶部中心施加等效力和力矩，可分析底座受压和倾翻力矩组合作用下的强度、刚度状况，而对于广泛应用的可升降的蝶式钢包回转台，钢包重力的简化就不能那样简单处理。

图3 蝶式500t钢包回转台示意图 1-底座;2-回转轴承;3-回转台;4-下连杆; 5-叉臂;6-上连杆;7-托座;8-主升降油缸;

尽管做了许多理想化的简化，但是上述利用铰单元对钢包回转台载荷简化、分步计算的过程是可以接受的，而且在近几年的研究设计及生产中得到了实践验证。简单地平移等效处理钢包重力对回转台本体的作用，会使计算应力偏大，安全系数降低，使设计者增加结构尺寸，产生不必要的浪费[8]。

以国内某重工集团制造的220t连杆式钢包回转台为例。在Solidworks软件环境下, 对其升降机构进行了三维实体建模、虚拟装配， 采用Solidworks的插件Cosmonmotion 进行了该机构的运动仿真, 采用Slidworks的插件进行了该机构的整机有限元分析, 通过以上分析可深入了解该机构的平稳性和安全性, 从而为钢包回转台的设计及维护提供一定的理论依据。

为了顺利进行整机有限元网格的划分，对不影响分析结果的微细结构进行了简化，建立了升降机构的主要零件，包括上连杆、下连杆、托臂、机架三维零件等。升降机构的虚拟装配采用自下而上的装配形式。对零件加入重合、同心、垂直和平行等装配约束关系，把所有零部件装配在一起。利用SolidWorks软件完成升降机构装配体设计后，可以对其进行运动学分析和动态仿真[9]。

在建立大型钢包回转台三维CAE仿真分析模型的基础上，进行静态强度分析，得出其钢包回转台在最恶劣工况下各部位应力大小分布，确定可能发生破坏的危险部位。给出了钢包回转台工作时的强度、刚度和稳定性，便于进一步展开其瞬态动力分析、动应力分析、疲劳分析，以及解决钢包回转台的常见问题与维护、改进提供了技术指导。

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4 钢包回转台常见问题及其解决方法

在实际生产中因为各种不确定的因素，如生产、安装、操作等环节上的问题，会导致钢包回转台出现故障。那么在实际生产中钢包回转台常见的问题有：钢包滑移、回转掉电、回转机构磨损、回转大轴承失效、回转台连杆的平移和地脚螺栓的断裂等。

针对诸如常见故障采取一系列改进措施：恢复平衡防偏液压系统，完善停位锁定液压系统,增加蓄能器、换向阀和冷却系统，将液压系统迁到适当位置，将电磁制动器改为电液制动器，可明显改善钢包滑移和回转掉电的现象。凸轮控制器改为编码器等方法可实现自动回转，减少了启动制动的冲击，以保证连铸的连续生产[10]。

在面对如何改善地脚螺栓断裂的现象时，应知道高强度钢材料的选择要注意强度与韧性的匹配。其淬火后的组织应为低碳马氏体或下贝氏体。还应注意材料的尺寸效应。材料选择不当是根本原因，应从设计、制造安装等方面综合考虑，才能发挥起作用[11]。

而针对回转台连杆的偏移时，常在现场采用隔垫调整连杆位置的技术措施, 消除了油缸顶升产生的附加水平推力, 从而纠正了连杆的明显水平偏移, 有效地保证钢包回转台的安全生产[12]。

在检修钢包回转台时，为保证其它钢包回转台的正常工作，并减少检修时间，可以采用液压缸同步顶升钢包回转臂的方案对钢包回转台检修，更换回转推力轴承以及与基座的连接螺栓，故在此也要运用三维建模有限元方法计算检修方案中钢包回转台各零件强度[13]。

5 研究目的

钢包回转台是炼钢厂的关键设备，位于炼钢跨和连铸跨之间，用于承接钢包并实现连续浇铸。由于钢包回转台在连铸生产中被广泛采用，因此其结构的可靠性、安全性，以及制造的合理性、经济性已成为国内许多设计单位关心的问题。某钢包回转台为国外设计，国内制造的平行四边形机构式双臂结构（图4），采用液压驱动，旋转半径为6.4m，举升缸行程0.67m，钢包荷载总重G = 4.8×106 N。该钢包回转台在投入运行初期未出现任何故障，但运行2年后，举升机构上臂升降时中间关节轴承处发出严重的异常声响且出现明显的振动现象。由于上臂现场装拆非常不便，因此为了解决上述问题，需要对轴承寿命及强度进行校核，判断其强度和使用寿命能否满足要求，找出异响和振动产生的原因。因此，首先需对举升机构进行运动与动力学分析，找出运行过程中各关节铰接处的最大作用力。

6 研究内容

首先进行相关文献检索，了解钢包回转台结构和特点，重点是举升机构；绘制钢包回转台举升机构机构运动简图，并进行理论计算，采用图解法对某一位置进行验证计算；利用UG对简化的钢包回转台举升机构,回转机构三维建模；并对钢包回转台举升机构和回转机构进行运动和动力学仿真；利用机械设计相关知识对钢包回转台举升机构主要零部件的强度计算或校核。

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图4 平行四边形钢包回转台结构

6 参考文献

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