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遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第39頁(yè)
高爐無(wú)料鐘爐頂下密封閥
和下節(jié)流閥的設(shè)計(jì)
摘 要
煉鐵是鋼鐵生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，生產(chǎn)出產(chǎn)品（主要是生鐵）的質(zhì)量和產(chǎn)量直接影響到煉鋼生產(chǎn)。高爐生產(chǎn)是獲得大量生鐵的主要手段。然而隨著高爐冶煉技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)爐頂仍然存在著設(shè)備復(fù)雜、密封性能差和氮?dú)馐褂昧扛叩热秉c(diǎn)。本文介紹了高爐無(wú)料鐘爐頂裝料布料裝置的概況，在高爐頂部，爐頂裝料設(shè)備是用來(lái)裝料入爐并使?fàn)t料在爐內(nèi)合理分布，同時(shí)起到爐頂密封作用的設(shè)備。而高爐無(wú)料鐘爐頂中的密封閥、料流調(diào)節(jié)閥關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并對(duì)所存在的問(wèn)題進(jìn)行研究與探討。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：傳動(dòng)方案的比較及方案的確定,電機(jī)和液壓缸的選擇與驗(yàn)算，減速機(jī)、軸、鍵的選擇與校核和潤(rùn)滑等內(nèi)容。本裝置的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了爐頂結(jié)構(gòu)，提高了爐頂布料裝置的可靠性、密封性，降低了經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)于今后高爐爐頂設(shè)備的研究，提供了新的思路。
關(guān)鍵詞：無(wú)料鐘爐頂，裝料布料裝置，密封閥，節(jié)流閥
Abstrct
Iron-smelting iron and steel production is an important aspect of producing products (mainly iron) the quality and yield a direct impact on steel production. Blast furnace pig iron production is heavily the primary means. In the blast furnace at the top, top loading equipment is used to loading into the furnace and the furnace charge a reasonable distribution, and to play a top role in sealing the equipment. However, with blast furnace smelting technology development, there are still top of traditional complex equipment, poor performance sealed and nitrogen use of the Higher shortcomings. This paper describes the blast furnace of bell-less top fabric loading device profile, in blast furnace at the top, top loading equipment into the furnace is used for loading and charge a reasonable distribution in the furnace, while a top role in sealing Equipment. The blast furnace of bell-less top of the valve seals, material flow control valve key equipment and the structural characteristics of the problems existing research and study. The design elements include: Drive for comparison and for sure, the electrical and hydraulic cylinders and the choice of checking, reducer, reel, and the choice of key check and lubrication, and other content. This device simplifies the design of the top structure, improve the reliability of the device fabric top, seal and reduce the economic costs, the future of blast furnace top equipment, providing a new way of thinking.
Key words: bell-less top，fabric loading device，ealing valve，aterial flow valve
目 錄
摘 要 I
Abstrct II
1緒論 1
1.1選題的背景和目的 1
1.1.1 選題背景 1
1.1.2 選題的目的 1
1.2 現(xiàn)代高爐的發(fā)展和發(fā)展前景 1
1.3 無(wú)料鐘爐頂設(shè)備的優(yōu)越性 2
1.4 高爐爐頂工作原理和操作 3
1.4.1 無(wú)料鐘高爐爐頂?shù)慕M成 3
1.4.2 無(wú)料鐘高爐爐頂?shù)牟剂线^(guò)程 3
1.4.3 無(wú)料鐘高爐爐頂?shù)难芯恳饬x及發(fā)展方向 6
1.5 高爐爐頂密封閥與節(jié)流閥的概述 6
1.5.1 密封閥結(jié)構(gòu)特征和用途 6
1.5.2 下節(jié)流閥與下密封閥作用 7
1.6 本課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 8
2 總體方案設(shè)計(jì) 9
2.1 高爐的主要結(jié)構(gòu)和作用 9
2.2 高爐主要設(shè)備的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 10
2.2.1 布料器 10
2.2.2 料罐 11
2.2.3料流調(diào)節(jié)閥 11
2.2.4下密封閥 12
2.2.5 無(wú)料鐘爐頂在技術(shù)上的優(yōu)、缺點(diǎn) 12
2.3 具體方案的確定 15
2.3.1 下節(jié)流閥運(yùn)動(dòng)方案的確定 15
2.3.2 下節(jié)流閥傳動(dòng)方案的確定 15
2.3.3 下密封閥運(yùn)動(dòng)方案的確定 15
2.3.4 下密封閥傳動(dòng)方案的確定 15
2.2.5 下密封閥的性能 15
2.4無(wú)料鐘爐頂特點(diǎn) 16
3 下節(jié)流閥的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.1 下節(jié)流閥驅(qū)動(dòng)行程的計(jì)算 17
3.2 軸的校核 18
3.2 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 21
3.3 鍵的選擇和校核 24
3.3.1 選擇鍵聯(lián)接的類(lèi)型和尺寸 24
3.3.2 校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度 24
3.4 花鍵的校核 24
3.5 滾筒電機(jī)的選擇 26
4 下密封閥的設(shè)計(jì)計(jì)算 27
4.1 下密封閥中液壓缸的設(shè)計(jì)選取 27
4.2 下密軸的強(qiáng)度校核 29
4.3 平鍵校核 32
5 潤(rùn)滑方法的選擇 33
5.1 潤(rùn)滑 33
5.1.1 減速器的潤(rùn)滑 33
5.1.2 下密封閥潤(rùn)滑方式選擇 34
5.1.3 下節(jié)流閥潤(rùn)滑方式選擇 34
6 設(shè)備可靠性與經(jīng)濟(jì)性分析 35
6.1 設(shè)備的可靠性 35
6.2 設(shè)備的經(jīng)濟(jì)可行性分析 35
結(jié) 束 語(yǔ) 36
致 謝 38
參考文獻(xiàn) 39
1緒論
1.1選題的背景和目的
1.1.1 選題背景
在國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的拉動(dòng)下，中國(guó)鋼鐵工業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，這也帶動(dòng)了高爐煉鐵的快速發(fā)展。伴隨著中國(guó)生鐵產(chǎn)量的高速增長(zhǎng)，中國(guó)高爐煉鐵技術(shù)水平也取得了一定進(jìn)展。南京博物院1959年6月在徐州利國(guó)驛峒山北400米處微山湖的南岸，清理漢代煉鐵爐的遺跡。1970年8月，九四二四廠(后易名為上海梅山冶金公司)一座1060立方米高爐 出鐵。翌年5月18日第二座同容積高爐建成投產(chǎn)。1976年6—11月，南鋼一號(hào)高爐(300立方米)大修期間對(duì)槽下上料設(shè)備徹底改造 取消小行車(chē) 、稱(chēng)量車(chē)，代之以鏈板機(jī)、皮帶機(jī)、電動(dòng)翻板、電子秤稱(chēng)量斗，實(shí)現(xiàn)上料系統(tǒng)遠(yuǎn)距離集中控制操作。1985、1986年，上海梅山冶金公司兩座高爐進(jìn)行大修改造。二號(hào)高爐爐容擴(kuò)大 到1250立方米，成為江蘇之最。大修后的熱風(fēng)爐為改進(jìn)內(nèi)燃型，采用集中送風(fēng)，并有煙氣預(yù)熱回收系統(tǒng)。一號(hào)高爐用熱管式換熱器預(yù)熱助燃空氣，二號(hào)高爐用分離式 熱管預(yù)熱助燃空氣和煤氣。1987年全廠平均風(fēng)溫達(dá)到1083℃，創(chuàng)歷史水平。其中一號(hào)高爐年平均風(fēng)溫達(dá)到1111℃，為國(guó)內(nèi)最好水平。泥炮和堵渣機(jī)亦由電動(dòng)改為液壓 傳動(dòng)，堵口時(shí)推力增大，從而增加了可靠性。目前，我國(guó)高爐煉鐵也由原來(lái)的鐘式爐頂逐漸被無(wú)料鐘爐頂所代替[1]。
1.1.2 選題的目的
高爐煉鐵一直是重要的煉鐵工藝，也是技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新的重要領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著高爐設(shè)備的水平不斷提高，中型、小型高爐逐漸被大型、巨型高爐代替。這就要求高爐煉鐵技術(shù)在高爐裝備提高噴煤比、延長(zhǎng)高爐壽命、提高高爐原燃料質(zhì)量、改進(jìn)高爐操作等方面要有明顯的進(jìn)步。中國(guó)高爐煉鐵在高效、低耗、長(zhǎng)壽、優(yōu)化操作技術(shù)等方面取得了進(jìn)步。但是，精料技術(shù)、噴吹煤粉、熱風(fēng)溫度等方面是呈下降態(tài)勢(shì)。近年來(lái)，大型高爐生產(chǎn)技術(shù)水平，取得了明顯進(jìn)步，寶鋼、馬鋼、上鋼一廠、鞍鋼、首鋼等企業(yè)大高爐利用系數(shù)和燃料比等指標(biāo)已達(dá)到先進(jìn)水平。今后要進(jìn)一步改善原燃料質(zhì)量和提高熱風(fēng)溫度[2]。
1.2 現(xiàn)代高爐的發(fā)展和發(fā)展前景
高爐大型化、現(xiàn)代化要求，促使世界各國(guó)對(duì)高爐爐頂裝料布料裝置進(jìn)行了各種探討和開(kāi)發(fā)。早在20世紀(jì)70年代初期，先后由盧森堡、西德、蘇聯(lián)等國(guó)對(duì)爐頂實(shí)現(xiàn)無(wú)料鐘布料，作出了種種設(shè)想和嘗試。無(wú)料鐘爐頂與有料鐘爐頂裝料設(shè)備相比，具有布料靈活、重量輕、維修方便，而且密封性能好等特點(diǎn)，給高壓爐頂提供了優(yōu)秀的條件。因此在新建、改建的高爐上都選用了無(wú)料鐘布料裝置[3]。
隨著高爐大型化和冶煉強(qiáng)度的提高, 爐頂裝料設(shè)備的性能也要求相應(yīng)提高。設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性、裝備的選進(jìn)性直接影響著高爐的產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)有高爐設(shè)備的結(jié)構(gòu)及零部件有些已不能滿(mǎn)足這種要求, 迫切需要改進(jìn)。目前世界上大型高爐爐頂裝料設(shè)備形式多樣,有并罐無(wú)料鐘、串罐無(wú)料鐘、三罐無(wú)料鐘及雙鐘四閥型等,這幾種形式的無(wú)料鐘各有其特點(diǎn),都能滿(mǎn)足高爐正常生產(chǎn)要求。其中串罐無(wú)料鐘占主導(dǎo)地位。目前新建或改擴(kuò)建的大型高爐上,基本上采用串罐無(wú)料鐘爐頂。隨著高爐操作穩(wěn)定及長(zhǎng)壽,無(wú)料鐘爐頂?shù)牟剂峡刂苾?yōu)越性充分顯露出來(lái)。
1.3 無(wú)料鐘爐頂設(shè)備的優(yōu)越性
無(wú)料鐘爐頂裝置與以前的鐘式爐頂或鐘閥式加活動(dòng)爐喉板的裝料設(shè)備相比具有很大的優(yōu)越性，一是布料靈活，有利于改善布料，提高煤氣利用率；二是密封性好，有利于爐頂壓力；三是維護(hù)方便，有利于提高高爐作業(yè)率。因此，自無(wú)料鐘爐頂設(shè)備問(wèn)世以來(lái)，迅速在各國(guó)高爐上推廣應(yīng)用，我國(guó)各大鋼鐵廠高爐也相繼采用，先后由首鋼、梅山、重鋼、攀鋼、唐鋼、寶鋼、鞍鋼、武鋼、馬鋼、等廠裝備了無(wú)料鐘爐頂裝料裝置。我國(guó)高爐設(shè)備，通過(guò)多年的引進(jìn)、研制、開(kāi)發(fā)，完全可用國(guó)內(nèi)技術(shù)設(shè)計(jì)、制造。
無(wú)料鐘高爐爐頂技術(shù)從70年代發(fā)展到現(xiàn)在已日益完善,目前世界上大型高爐爐頂裝料設(shè)備形式多樣,有并罐無(wú)料鐘、串罐無(wú)料鐘型等,這幾種形式的無(wú)料鐘各有其特點(diǎn),都能滿(mǎn)足高爐正常生產(chǎn)要求。其中串罐無(wú)料鐘占主導(dǎo)地位。目前新建或改擴(kuò)建的大型高爐上,基本上采用串罐無(wú)料鐘爐頂。隨著高爐操作穩(wěn)定及長(zhǎng)壽,無(wú)料鐘爐頂?shù)牟剂峡刂苾?yōu)越性充分顯露出來(lái)。串罐顧名是思義是罐上下串通的，而且并罐是兩個(gè)罐并列放置的形式。由于形式不同，串罐形式要少一套上、下密封閥和一個(gè)下料流閥、更重要的是串罐形式的冶煉工藝上，具有布料偏析小，稱(chēng)量正確的優(yōu)點(diǎn)。正因?yàn)檫@樣，對(duì)于現(xiàn)代高爐冶煉來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)正確下料控制的計(jì)算機(jī)功能易于實(shí)施，也是串罐無(wú)料鐘爐頂，在世界各地紛紛采用的主要原因。我國(guó)寶鋼二號(hào)高爐、一號(hào)高爐易地大修的高爐、鞍鋼、馬鋼的大型高爐也先后引進(jìn)一部分盧森堡技術(shù)和裝備。在國(guó)內(nèi)首批實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的串罐式無(wú)料鐘爐頂[4]。
1.4 高爐爐頂工作原理和操作
1.4.1 無(wú)料鐘高爐爐頂?shù)慕M成
高爐無(wú)料鐘爐頂主要由受料漏斗、上節(jié)流閥、上密封閥及料罐、下節(jié)流閥、下密封閥、布料器等六部分構(gòu)成。為了能夠交替地往兩個(gè)料罐裝料，受料漏斗做成可以移動(dòng)的。每個(gè)密封罐的容積約為半批料（相當(dāng)于料車(chē)上料時(shí)兩車(chē)料）。在料罐的頂部和下部設(shè)有密封閥起爐頂密封作用。每個(gè)料罐獨(dú)有均壓設(shè)備。在下密封閥的上面設(shè)有料流調(diào)節(jié)閘門(mén)，可以控制原料流量。布料器的溜槽可以繞高爐中心線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，溜槽的傾角可以調(diào)節(jié)。完成高爐圓周布料和徑向布料，結(jié)構(gòu)總圖如圖1.1所示[5]。
1.4.2 無(wú)料鐘高爐爐頂?shù)牟剂线^(guò)程
開(kāi)上密封閥→料車(chē)上料一批→料罐料滿(mǎn)→關(guān)上密閥→均壓煤氣壓力、開(kāi)下密閥下料→下料完成→下密閥關(guān)→排壓閥開(kāi)→排空料罐煤氣→開(kāi)上密封閥→循環(huán)往復(fù)
圖1.1 高爐無(wú)料鐘爐頂裝料裝置總圖
無(wú)料鐘爐頂布料的具體操作過(guò)程如下：當(dāng)稱(chēng)量料罐需要裝料時(shí)，料車(chē)移動(dòng)到爐頂受料漏斗上，由料車(chē)卷?yè)P(yáng)機(jī)的主令控制器釋放相應(yīng)的觸點(diǎn)，使料罐的放散閥打開(kāi)，然后打開(kāi)上密封閥，此時(shí)下密封是關(guān)閉的。當(dāng)?shù)谝卉?chē)料裝入稱(chēng)量料罐后，關(guān)閉上密封和放散閥。為了減小下密封閥的壓力差，打開(kāi)均壓閥使料罐內(nèi)充入均壓煤氣。此時(shí)第二車(chē)料已到爐頂，然后把料罐內(nèi)的煤氣放散掉，打開(kāi)上密封。同樣的方式進(jìn)行裝料入罐。關(guān)閉上密封，再次進(jìn)行均壓，等待往爐內(nèi)裝料。裝料順序一般是一次礦石、一次焦炭，形成一批料，當(dāng)料線到需要裝料的位置時(shí)，發(fā)出裝料入爐的信號(hào)，探尺自動(dòng)提升到最高位置，同時(shí)布料器啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在料罐均壓 正常的情況下打開(kāi)下密封閥。當(dāng)旋轉(zhuǎn)溜槽轉(zhuǎn)到預(yù)定的開(kāi)始布料位置時(shí)，布料器控制系統(tǒng)使一個(gè)觸點(diǎn)動(dòng)作，使料流調(diào)節(jié)閥的閘口打開(kāi)到規(guī)定的開(kāi)口度，原料按預(yù)定的卸料方式、時(shí)間往爐內(nèi)布料。料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的大小不同可獲得不同的料流速度，一般是卸球團(tuán)礦時(shí)開(kāi)度小些，卸燒結(jié)礦時(shí)開(kāi)度大些，卸焦炭開(kāi)度最大。規(guī)定的卸料時(shí)間是根據(jù)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，料罐內(nèi)原料的體積，使每次布料達(dá)到10 圈左右的料層數(shù)目。當(dāng)料罐“卸空”信號(hào)由測(cè)力儀 （電子秤）或同位素探測(cè)發(fā)出后，先完全打開(kāi)料流調(diào)節(jié)閥，以防卡料，而后料流控制閘門(mén)和下密封閥相繼關(guān)閉，放散罐內(nèi)的壓力，準(zhǔn)備接受下一批料。在此同時(shí)，旋轉(zhuǎn)溜槽轉(zhuǎn)到停機(jī)位置，躲開(kāi)探料設(shè)備的工作。如此反復(fù)，其布料工藝流程如圖1.2[6]。
圖2.2 無(wú)料鐘爐頂裝料設(shè)備工藝流程圖
1.4.3 無(wú)料鐘高爐爐頂?shù)难芯恳饬x及發(fā)展方向
今天的無(wú)料鐘式爐頂，工藝日趨完善，密封愈加嚴(yán)密，布料方式更加合理，效率越來(lái)越高，成本越來(lái)越低。然而無(wú)料鐘爐頂也存在如下缺點(diǎn)：設(shè)備笨重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)效率低。爐頂布料裝置的通病是密封性能差，氮?dú)庀牧看螅a(chǎn)成本高，所以通過(guò)對(duì)高爐爐頂結(jié)構(gòu)和性能的分析進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)一步的對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，使其更加適應(yīng)當(dāng)今大規(guī)模的生產(chǎn)，從而提高工作效率。研究方向主要集中在繼續(xù)提高爐頂設(shè)備使用率、合理利用資源、實(shí)現(xiàn)超高噴煤，進(jìn)一步延長(zhǎng)爐役壽命和環(huán)境保護(hù)等幾個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)而不斷提高高爐生產(chǎn)效率和設(shè)備使用率，降低能耗，有效保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[7] 。
1.5 高爐爐頂密封閥與節(jié)流閥的概述
隨著高爐生產(chǎn)獲得更大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)其爐頂?shù)难b料設(shè)備的機(jī)械性能的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，在均排壓系統(tǒng)能正常工作的條件下，上下密封閥密封效果的好壞直接影響高爐高壓操作工藝。
1.5.1密封閥結(jié)構(gòu)特征和用途
密封閥的結(jié)構(gòu)特征：
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:分為幾個(gè)單獨(dú)閥門(mén)，每個(gè)閥門(mén)為獨(dú)立液壓油缸控制開(kāi)關(guān),閥門(mén)為旋開(kāi)閥,密封件、密封面不與料流接觸;
體積小、重量輕:單個(gè)閥體 1.5噸左右箱式結(jié)構(gòu)、體積小。安裝、更換、維護(hù)方便,并且傳動(dòng)結(jié)構(gòu)均在外部,便于檢查、維修;
密封好、壽命長(zhǎng)、頂壓提高,整體閥門(mén)密封性能良好,工作壓力為 150kPa、整體壽命為一代爐齡。
密封閥的用途：是安裝在料罐爐料進(jìn)口處，下密封閥安裝在料罐下料口處用來(lái)對(duì)料罐進(jìn)行煤氣密封，以保證高爐的帶壓操作。密封效果不好會(huì)引起煤氣泄露，漏出的煤氣不但會(huì)使維護(hù)爐頂人員中毒，而且?jiàn)A帶著大量爐料、粉塵的煤氣對(duì)其他設(shè)備的接觸面都產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損，煤氣泄漏所造成的設(shè)備損壞是爐頂設(shè)備損壞的普遍現(xiàn)象，也是爐頂設(shè)備損壞的主要原因。爐頂設(shè)備造價(jià)很高，而且更換爐頂設(shè)備需要耗費(fèi)大量人力物力財(cái)力。因此，保證密封性就能保證了高爐的順利生產(chǎn)。由于上、下密封閥長(zhǎng)期在高溫、大負(fù)荷以及粉塵、爐料、煤氣的沖刷腐蝕等惡劣工況下工作，因此要求上、下密封閥具有相當(dāng)高的密封閥[8]。
1.5.2 下節(jié)流閥與下密封閥作用
下節(jié)流閥的閥板和滾筒用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的方法，控制合適的閥門(mén)開(kāi)度，以達(dá)到控制料流的目的。該節(jié)流閥安裝于高壓儲(chǔ)料罐的排料口之下，它有一個(gè)外殼密封箱，上與高壓儲(chǔ)料罐相連，下與下密封閥箱相接。其內(nèi)部是一個(gè)滾筒給料機(jī)，該滾筒給料機(jī)包括一個(gè)扇形閥、滾筒、閥芯過(guò)料管，以及位于閥箱外面的扇形閥驅(qū)動(dòng)裝置和滾筒驅(qū)動(dòng)裝置。通過(guò)調(diào)整扇形閥的開(kāi)度和滾筒的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制高壓儲(chǔ)料罐的排料速度以調(diào)節(jié)料流的目的。節(jié)流閥具有以下特點(diǎn)：1、構(gòu)造較簡(jiǎn)單，便于制造和維修，成本低。2、調(diào)節(jié)精度不高，不能作調(diào)節(jié)使用。3、密封面易沖蝕，不能作切斷介質(zhì)用。4、密封性好較差。如圖1.2
下密封閥是靠2個(gè)液壓缸來(lái)完成閥的開(kāi)閉動(dòng)作。閥的開(kāi)啟和關(guān)閉均由2個(gè)動(dòng)作來(lái)完成 ,即閥的傾動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。閥的傾動(dòng)是由傾動(dòng)液壓缸動(dòng)作完成的它使閥板從閥座上脫開(kāi) ,以避免閥板密封面在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦。閥的旋轉(zhuǎn)是由旋轉(zhuǎn)液壓缸動(dòng)作完成的 ,它使閥板繞空心轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)一定的角度 ,以避免閥板被料流沖刷。如圖1.3
圖1.2 下節(jié)流閥
圖1.3 下密封閥
1.6 本課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題名稱(chēng)為：高爐無(wú)料鐘爐頂下密封閥和下節(jié)流閥設(shè)計(jì)，基于這一課題，首先詳盡了解高爐無(wú)料鐘的爐頂設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)和性能的分析進(jìn)一步完成本次課題，為滿(mǎn)足現(xiàn)在高爐煉鐵的大規(guī)模生產(chǎn)，并能滿(mǎn)足降低成本，提高效率和效益。本次課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容大致如下：
1. 大量收集與本課題相關(guān)的國(guó)內(nèi)外資料，整理資料內(nèi)容，分析各種高爐爐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，比較爐頂裝料設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)。并了解高爐爐頂?shù)难b料設(shè)備在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況及發(fā)展動(dòng)態(tài)，掌握密封閥和節(jié)流閥的類(lèi)型、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍，工作原理、傳動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
2. 針對(duì)爐頂裝置的現(xiàn)存情況，對(duì)無(wú)料鐘爐頂裝置進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)高爐無(wú)料鐘爐頂下節(jié)流閥和下密封閥。目的延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，提高工作效率，減小環(huán)境污染，增加效益。
3. 擬定下節(jié)流閥和下密封閥的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇最佳的設(shè)計(jì)方案，對(duì)下節(jié)流閥的電機(jī)和下密封閥的液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇，并對(duì)其進(jìn)行校核，確定所選擇的電機(jī)和液壓缸滿(mǎn)足所需要求。
4. 對(duì)下節(jié)流閥和下密封閥的零、部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。并對(duì)其中重要的零、部件進(jìn)行校核計(jì)算。確保下節(jié)流閥和下密封閥在工作中安全、可靠。
5. 對(duì)所設(shè)計(jì)的下節(jié)流閥和下密封閥進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析[9][10]。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 高爐的主要結(jié)構(gòu)和作用
高爐用于冶煉液態(tài)鐵水的主要設(shè)備。其橫斷面為圓形的煉鐵豎爐，用鋼板作爐殼，里面砌耐火磚內(nèi)襯。高爐本體自上而下分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸五部分。護(hù)喉之上設(shè)置裝料設(shè)備；爐缸上部沿圓周均勻設(shè)風(fēng)口，熱風(fēng)通過(guò)熱風(fēng)圍管、支管和彎頭、直吹管，由風(fēng)口鼓入爐內(nèi)；風(fēng)口平面之下有出渣口和出鐵口。近代巨型高爐由于渣量少，不設(shè)出渣口。
高爐的主要組成部分:
高爐爐殼：現(xiàn)代化高爐廣泛使用焊接的鋼板爐殼，只有極少數(shù)最小的土高爐才用鋼箍加固的磚殼。爐殼的作用是固定冷卻設(shè)備，保證高爐砌體牢固，密封爐體，有的還承受爐頂載荷。
爐喉：高爐本體的最上部分，呈圓筒形。爐喉既是爐料的加入口，也是煤氣的導(dǎo)出口。它對(duì)爐料和煤氣的上部分布起控制和調(diào)節(jié)作用。爐喉直徑應(yīng)和爐缸直徑、爐腰直徑及大鐘直徑比例適當(dāng)。
爐身：高爐鐵礦石間接還原的主要區(qū)域，呈圓錐臺(tái)簡(jiǎn)稱(chēng)圓臺(tái)形，由上向下逐漸擴(kuò)大，用以使?fàn)t料在遇熱發(fā)生體積膨脹后不致形成料拱，并減小爐料下降阻找力。
爐腰：高爐直徑最大的部位。它使?fàn)t身和爐腹得以合理過(guò)渡。由于在爐腰部位有爐渣形成，并且粘稠的初成渣會(huì)使?fàn)t料透氣性惡化，為減小煤氣流的阻力，在渣量大時(shí)可適當(dāng)擴(kuò)大爐腰直徑。
爐腹：高爐熔化和造渣的主要區(qū)段，呈倒錐臺(tái)形。為適應(yīng)爐料熔化后體積收縮的特點(diǎn)，其直徑自上而下逐漸縮小，形成一定的爐腹角。
爐缸：高爐燃料燃燒、渣鐵反應(yīng)和貯存及排放區(qū)域，呈圓筒形。
爐底：高爐爐底砌體不僅要承受爐料、渣液及鐵水的靜壓力，而且受到1400～4600℃的高溫、機(jī)械和化學(xué)侵蝕、其侵蝕程度決定著高爐的一代壽命。
爐基：它的作用是將所集中承擔(dān)的重量按照地層承載能力均勻地傳給地層，因而其形狀都是向下擴(kuò)大的。高爐和爐基的總重量常為高爐容積的10～18倍（噸）。
爐襯：高爐爐襯組成高爐的工作空間，并起到減少高爐熱損失、保護(hù)爐殼和其它金屬結(jié)構(gòu)免受熱應(yīng)力和化學(xué)侵蝕的作用。爐襯是用能夠抵抗高溫作用的耐火材料砌筑而成的。
爐喉護(hù)板：爐喉在爐料頻繁撞擊和高溫的煤氣流沖刷下，工作條件十分惡劣，維護(hù)其圓筒形狀不被破壞是高爐上部調(diào)節(jié)的先決條件。為此，在爐喉設(shè)置保護(hù)板（鋼磚）[11]。
2.2 高爐主要設(shè)備的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
2.2.1 布料器
布料器主要由氣密箱、布料溜槽、傳動(dòng)裝置等組成。布料裝置是整個(gè)爐頂裝料設(shè)備的核心，其運(yùn)動(dòng)分為溜槽的軸向旋轉(zhuǎn)與徑向傾動(dòng)，二者既可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，又可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)即為螺旋運(yùn)動(dòng)。布料器的旋轉(zhuǎn)漏斗由內(nèi)外漏斗組成。外漏斗由鑄鋼ZG35制成，下部圓筒部分也可用厚鋼板卷成悍成。圓筒外表面需光滑加工，以減少填料密封的摩擦阻力和保證較好的密封效果。內(nèi)漏斗由上下兩部分組成。上部是焊接件，其內(nèi)表面用錳鋼板保護(hù)。
布料器的轉(zhuǎn)速公式 為了圓周均勻布料，布料器溜槽要有一定的轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)速由主電機(jī)n傳遞，與副電機(jī)無(wú)關(guān)。設(shè)溜槽的轉(zhuǎn)速為n,則
n=
設(shè)計(jì)時(shí)，布料器的轉(zhuǎn)速n由基本參數(shù)的計(jì)算確定，然后選擇足夠功率的交流或直流電動(dòng)機(jī)，再根據(jù)上述公式分配速比[12]。
2.2.2 料罐
料罐，其作用是接受和貯存爐料。隨著無(wú)料鐘爐頂?shù)膹V泛使用和不斷改進(jìn)，不僅設(shè)備結(jié)構(gòu)有了很大變化，并且在總體布置上也出現(xiàn)了多種型式，概括起來(lái)大致可分為并罐式、串罐式和串并罐式三種。
并罐式無(wú)料鐘爐頂是由兩個(gè)并列的料罐布置在高爐中心線兩側(cè)，料批由帶式上料機(jī)輸送到爐頂，經(jīng)過(guò)移動(dòng)小車(chē)裝入料罐。
串罐式無(wú)料鐘爐頂是由布置在高爐中心線上的旋轉(zhuǎn)料罐和其下的密封料罐串聯(lián)形成。缺點(diǎn)是密封閥操縱機(jī)構(gòu)的尺寸過(guò)于龐大。
串并罐式無(wú)料鐘爐頂是由至少兩個(gè)并列的受料罐和相應(yīng)數(shù)量的上波紋管、上節(jié)流閥和上密封閥與一個(gè)中心料罐串聯(lián)形成上、下兩層貯料罐，組織料批進(jìn)行裝料[13]。
2.2.3料流調(diào)節(jié)閥
料流調(diào)節(jié)閥是無(wú)料鐘爐頂中控制單位時(shí)間內(nèi)料流量的關(guān)鍵設(shè)備，它與布料器溜槽進(jìn)行合理配合達(dá)到各種布料的要求。該料流調(diào)節(jié)閥安裝于高壓儲(chǔ)料罐的排料口之下，下密封閥之上，它有一個(gè)外殼密封箱，上與高壓儲(chǔ)料罐相連，下與下密封閥箱相接。其內(nèi)部是一個(gè)滾筒給料機(jī)，該滾筒給料機(jī)包括一個(gè)扇形閥、滾筒、閥芯過(guò)料管，以及位于閥箱外面的扇形閥驅(qū)動(dòng)裝置和滾筒驅(qū)動(dòng)裝置。通過(guò)調(diào)整扇形閥的開(kāi)度和滾筒的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制高壓儲(chǔ)料罐的排料速度以調(diào)節(jié)料流的目的。料流調(diào)節(jié)閥（簡(jiǎn)稱(chēng)節(jié)流閥）的閥板和滾筒用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的方法，控制合適的閥門(mén)開(kāi)度，以達(dá)到控制料流的目的。如圖2.1
1.滾筒 2.扇形閥板3.箱體
圖2.1 下料流調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖
2.2.4 下密封閥
下密封閥安裝于下閥箱內(nèi)下料閘下面，它與上密封閥、均壓閥及均壓放散閥、料流調(diào)節(jié)閥共同配合完成爐內(nèi)下料和保證高爐裝料裝置的高壓密封，是保證爐頂高壓的關(guān)鍵設(shè)備之一，它必須具有良好的高壓密封性能，實(shí)現(xiàn)爐頂高壓操作。溜槽布料器的上、下密封閥直徑很小，又嵌有彈性良好的橡膠密封圈，密封性能良好，能承受高壓操作。下密封閥上部有一個(gè)節(jié) 流閥承受罐內(nèi)爐料重量，密封閥只管密封，不與爐料接觸，因此閥體壽命長(zhǎng)，密封有保證。因此無(wú)鐘布料在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。上密封閥與下密封閥的工作原理基本上是相同的 ,均是靠2個(gè)液壓缸來(lái)完成閥的開(kāi)閉動(dòng)作。閥的開(kāi)啟和關(guān)閉均由2個(gè)動(dòng)作來(lái)完成 ,即閥的傾動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。閥的傾動(dòng)是由傾動(dòng)液壓缸動(dòng)作完成的 ,它使閥板從閥座上脫開(kāi) ,以避免閥板密封面在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦。閥的旋轉(zhuǎn)是由旋轉(zhuǎn)液壓缸動(dòng)作完成的 ,它使閥板繞空心轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)一定的角度 ,以避免閥板被料流沖刷。閥的關(guān)閉動(dòng)作與閥的開(kāi)啟動(dòng)作相反進(jìn)行。液壓缸的行程終點(diǎn)均設(shè)有接近開(kāi)關(guān) ,與其他相關(guān)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)聯(lián)鎖操作[14]。如圖2.2
1、下法蘭組件 2、下密封閥座 3、閥板組件 4、曲柄
圖2.2 密封閥結(jié)構(gòu)圖
2.2.5 無(wú)料鐘爐頂在技術(shù)上的優(yōu)、缺點(diǎn)
無(wú)鐘爐頂自從70 年代初出現(xiàn)以來(lái), 實(shí)踐證明有以下優(yōu)點(diǎn)：1 布料靈活；2 密封可靠, 有利于提高爐頂壓力；3 結(jié)構(gòu)先進(jìn), 設(shè)備采用積木式和小型化, 規(guī)格系列化, 具有一定的互換性, 維修更換方便；4 壽命長(zhǎng), 自動(dòng)化程度高。
這些優(yōu)點(diǎn)在大高爐上得到了充分的體現(xiàn), 使無(wú)料鐘爐頂在 1000m以上高爐上得到了迅速推廣。無(wú)料鐘爐頂按料罐的布置方式可分為并罐和串罐兩種, 其結(jié)構(gòu)如圖2.3
圖 2.3 并罐無(wú)鐘爐頂示意圖
并罐和串罐無(wú)料鐘爐頂從膨脹節(jié)以下部位是相同的, 水冷傳動(dòng)箱均采用水冷氣封, 設(shè)獨(dú)立的閉路循環(huán)水冷系統(tǒng)。并罐無(wú)鐘比串罐無(wú)鐘爐頂設(shè)備多了一個(gè)料罐, 并要多設(shè)一套均壓放散系統(tǒng), 因此其上料作業(yè)率要高于串罐無(wú)鐘爐頂,休風(fēng)率低于串罐無(wú)鐘爐頂[15]。如圖2.4
圖2.4 串罐無(wú)鐘爐頂示意圖
無(wú)料鐘爐頂在大高爐上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 國(guó)內(nèi)并罐與串罐并存, 并罐在布料上存在不可避免的偏析問(wèn)題, 出現(xiàn)“蛇形”現(xiàn)象, 特別是特大型高爐使?fàn)t料在高爐圓周方向上分布不均勻, 產(chǎn)生偏析, 因而影響煤氣流的合理分布,并且“蛇形”現(xiàn)象對(duì)中心喉管磨損嚴(yán)重, 目前, 在并罐無(wú)料鐘爐頂上安裝了對(duì)中裝置后, 雖然對(duì)布料效果有所改善, 但仍然還存在著一定的問(wèn)題。[25]最近有研究表明, 并罐無(wú)料鐘的布料偏析和“蛇形”布料, 造成小粒度料先行, 大粒度料后行, 布料中將小粒度布在靠爐壁一側(cè), 大粒度料布在中心, 發(fā)展了中心氣流, 抑制邊緣氣流, 一方面保護(hù)了爐壁, 提高了高爐的壽命, 另一方面有利于高爐順行。但串罐無(wú)料鐘爐頂由于料罐中設(shè)有插入件, 出現(xiàn)了大料先行, 小料后行的現(xiàn)象, 發(fā)展了邊緣氣流, 抑制中心氣流, 不利于高爐順行和長(zhǎng)壽。以料車(chē)上料為例, 無(wú)料鐘爐頂料罐有效容積一般按料車(chē)有效容積的 3 倍考慮, 串罐無(wú)料鐘爐頂上料罐的有效容積與密封料罐的有效容積相同。
在中小型高爐上, 由于受物料水力半徑的影響,“下料不暢或卡料”成為無(wú)鐘爐頂縮小尺寸的一個(gè)制約因素, 料流調(diào)節(jié)閥、中心喉管等部件的尺寸縮小受到限制, 以至于在小高爐上出現(xiàn)了布料圈數(shù)過(guò)少等現(xiàn)象, 小高爐裝燒結(jié)礦時(shí), 布料圈數(shù)會(huì)更少, 布料時(shí)間更短, 布料的均勻性就差。因此小高爐設(shè)計(jì)中要加快布料溜槽回轉(zhuǎn)速度, 使溜槽吊掛機(jī)構(gòu)的動(dòng)負(fù)荷增加。布料速度加快, 還會(huì)出現(xiàn)在斷面為半圓的溜槽上料從溜槽側(cè)面溜出的現(xiàn)象, 這是很不利的[16]。
2.3 具體方案的確定
2.3.1 下節(jié)流閥運(yùn)動(dòng)方案的確定
下節(jié)流閥的運(yùn)動(dòng)是靠扇形閥板與滾筒的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。節(jié)流閥的扇形閥板是由花鍵軸和花鍵軸套來(lái)驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)調(diào)整扇形閥的開(kāi)度和滾筒的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制高壓儲(chǔ)料罐的排料速度以調(diào)節(jié)料流的目的。
2.3.2 下節(jié)流閥傳動(dòng)方案的確定
下節(jié)流閥設(shè)計(jì)成花鍵軸與花鍵軸套形式，通過(guò)調(diào)整扇形閥板的開(kāi)度和滾筒的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)流作用，應(yīng)選擇承載能力高，對(duì)中性好，導(dǎo)向性好，應(yīng)力集中較小的花鍵形式，又因?yàn)榫匦位ㄦI強(qiáng)度削弱小，加工方便，故取矩形花鍵軸和矩形花鍵軸套，載荷較輕故選擇靜聯(lián)接形式。
2.3.3 下密封閥運(yùn)動(dòng)方案的確定
下密封閥安裝在稱(chēng)量罐下部，溜槽布料器的下密封閥直徑很小，又嵌有彈性良好的橡膠密封圈，密封性能良好，能適應(yīng)高壓操作。下密封閥的工作原理是借助曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)閥板，使閥板上的橡膠圈與密封閥座緊密結(jié)合，封住來(lái)自上部的壓力煤氣，從而達(dá)到密封效果。
2.3.4 下密封閥傳動(dòng)方案的確定
下密封閥采用液壓缸加曲柄形式傳動(dòng)。液壓缸驅(qū)動(dòng)曲柄繞下密封軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使曲柄帶動(dòng)閥板開(kāi)啟和關(guān)閉，從而閥板上的密封圈起到了對(duì)料罐的密封作用。因?yàn)椋y座上有氣體吹掃孔，在閥蓋將要關(guān)閉時(shí)吹去膠圈上的爐料顆粒，使閥座保持相對(duì)干凈。以提高橡膠圈的使用壽命，密封閥只管密封，不與爐料接觸，因此閥體壽命長(zhǎng)，密封有保證。
2.2.5 下密封閥的性能
采用液壓缸加曲柄形式傳動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是：其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)小巧,設(shè)備重量輕,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,節(jié)省投資。最重要的是啟閉料鐘平穩(wěn), 運(yùn)行中能自動(dòng)防止過(guò)載, 并能通過(guò)節(jié)流閥調(diào)節(jié)料鐘的升降速度。液壓傳動(dòng)裝置減輕了爐頂設(shè)備總重, 降低爐頂高度, 從而減輕爐頂鋼結(jié)構(gòu)的重量，有利于環(huán)保, 降低粉塵, 改善環(huán)境。
2.4無(wú)料鐘爐頂特點(diǎn)
針對(duì)現(xiàn)有爐頂裝料裝置存在的問(wèn)題，對(duì)新型無(wú)料鐘爐頂裝料裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括布料器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，布料器密封與冷卻機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和裝料裝置其它機(jī)構(gòu)（包括受料漏斗、料罐、截流閥、料流調(diào)節(jié)閥和上、下密封閥）的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中把溜槽的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在了爐外，避免爐內(nèi)高溫的破壞，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，使設(shè)備運(yùn)行更為安全，同時(shí)減少了耗氮量，降低了成本。
新型無(wú)料鐘爐頂?shù)脑O(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、傳動(dòng)效率高、密封性能好、布料靈活等優(yōu)點(diǎn)，能滿(mǎn)足高爐冶煉的要求。其布料裝置的傳動(dòng)方式、密封和冷卻方式合理、可行[17]。
3 下節(jié)流閥的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 下節(jié)流閥驅(qū)動(dòng)行程的計(jì)算
電動(dòng)機(jī)分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩種。由于直流電動(dòng)機(jī)需要直流電源，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較貴，維護(hù)比較不便，因此無(wú)特殊要求時(shí)不宜采用。
生產(chǎn)單位一般用三相籠型和繞線型兩種，其中以普通籠型異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最多。
電動(dòng)機(jī)類(lèi)型要根據(jù)電源種類(lèi)（交流或直流），工作條件（溫度、環(huán)境、空間位置尺寸等），載荷特點(diǎn)（變化性質(zhì)、大小和過(guò)載情況），起動(dòng)性能和起動(dòng)、制動(dòng)反轉(zhuǎn)的頻繁程度，轉(zhuǎn)速高低和調(diào)速高低和調(diào)速性能要求等條件來(lái)確定。
爐料選用鐵磁礦，查文獻(xiàn)[17，8-250]，其堆密度為4 ,料罐有效容積：5m
取扇形閥板運(yùn)動(dòng)速度;
滑動(dòng)摩擦系數(shù) f=0.15 (無(wú)潤(rùn)滑劑)，查文獻(xiàn)[18，8-134]表8-9
扇形閥半徑; 對(duì)下節(jié)流閥扇形閥板產(chǎn)生力矩作用的爐料體積近似為：Vmm3=0.254m3 ;
;
==9956.8
選電動(dòng)機(jī)：
按工作要求及工作條件選用三相異步電動(dòng)機(jī)，封閉式機(jī)構(gòu)，電壓380V，Y系列
傳動(dòng)裝置總效率 按表4-2-9取：
減速器效率
滾動(dòng)軸承效率 0.99
半聯(lián)軸器效率 0.99
則傳動(dòng)總效率
所需電動(dòng)機(jī)功率 P=
查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)表4.12-1，可選Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)Y90L-4
額定功率 滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速 ， 查文獻(xiàn)[5] 表3.2-11，減速器傳動(dòng)比。
傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速：
3.2 軸的校核
由于花鍵軸的受力較大，并要求限制其尺寸與重量，需提高其耐磨性，以及處于較惡劣條件下工作，所以采用45#鋼，為提高其強(qiáng)度（尤其是疲勞強(qiáng)度）和耐磨性，對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。
驅(qū)動(dòng)端半軸上的功率P，轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T
若軸承效率 。
減速器效率 。
聯(lián)軸器效率 。
則
轉(zhuǎn)矩： T=9550
取
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3.1：
圖3.1 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖
水平面：根據(jù)
垂直面： 根據(jù)
在V面內(nèi)的最大彎矩
=
=1632
在H面內(nèi)的最大彎矩
軸所受最大的彎矩出現(xiàn)在B處
=
=3895
按彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度：
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面B）的強(qiáng)度。根據(jù)文獻(xiàn)[14，15-373]中式(15-5)及以上所算數(shù)據(jù)，扭矩切應(yīng)力為脈沖循環(huán)變應(yīng)力，則。
軸的計(jì)算應(yīng)力：
=
=54.19MPa
前已選定軸的材料為45，調(diào)質(zhì)處理 ，由文獻(xiàn)[14，15-362]中表15-1查得，
因此 ]，故安全。
3.2 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度
判斷危險(xiǎn)截面
從軸的載荷分析圖和軸系的布局可以判斷出，由于Ⅲ處有應(yīng)力集中，故該處為危險(xiǎn)截面。
危險(xiǎn)截面的疲勞強(qiáng)度校核
（1）Ⅲ截面右側(cè)
抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)
Ⅲ截面右側(cè)的彎矩為
=34200000
Ⅲ截面上的扭矩為
截面上的彎曲應(yīng)力
=
=25.6MPa
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。查文獻(xiàn)[14，15-362]中表15-1查得
。
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)和按附表3-2查取。
因 , 經(jīng)插值后可查得
又由附圖3-1可得軸的材料的敏感性系數(shù)為
故有效應(yīng)力集中系數(shù)按式（附表3-4）為
由附圖3-2的尺寸系數(shù)；
由附圖3-3的扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)。
軸按磨削加工，由附圖3-4得表面質(zhì)量系數(shù)
軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即，
按式（3-12）及式（3-12a）得綜合系數(shù)為：
又由3-1和3-2得碳鋼的特性系數(shù)
于是，計(jì)算安全系數(shù)值，按文獻(xiàn)[14，15-362]中式15-6可得
故可知其安全。
3.3 鍵的選擇和校核
鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)軸與輪轂之間的軸向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還能實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動(dòng)的導(dǎo)向。鍵的選擇包括類(lèi)型選擇和尺寸選擇兩個(gè)方面。鍵的類(lèi)型應(yīng)根據(jù)鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和工作條件來(lái)選擇；鍵的尺寸則按符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)度要求來(lái)取定。所以，鍵的選擇很重要。重要的鍵聯(lián)接在選出鍵的類(lèi)型和尺寸后，還應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。
3.3.1 選擇鍵聯(lián)接的類(lèi)型和尺寸
選用圓頭平鍵聯(lián)接（A型）。
根據(jù)，從文獻(xiàn)[8，4-306]表4-95查得鍵的截面尺寸。參考文獻(xiàn)[8，4-307]表4-96鍵的長(zhǎng)度系列，取鍵長(zhǎng)。
3.3.2 校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度
鍵、軸的材料都是45鋼，由文獻(xiàn)[8，6-106]中表6-2查得許用擠壓應(yīng)力。
鍵的工作長(zhǎng)度，
接觸高度。
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩
根據(jù)文獻(xiàn)[8，6-106]中式（6-1），把、、、
代入可得
（合適）
3.4 花鍵的校核
1、鍵的選擇
為了能滿(mǎn)足定心精度，定心的穩(wěn)定性，故選用矩形花鍵。矩形花鍵的定心方式為小徑定心。
根據(jù)小徑mm，查文獻(xiàn)[8，5-206]表5-3-20
選用的矩形花鍵的規(guī)格為： mm取鍵長(zhǎng)mm。
即花鍵的齒數(shù)，大徑mm，小徑mm，鍵寬mm。
2、校核花鍵聯(lián)接的強(qiáng)度
校核鍵的擠壓強(qiáng)度
式中：— 載荷分配不均系數(shù)，與齒數(shù)有關(guān)，一般取=0.7～0.8，齒數(shù)多時(shí)取偏小值；取=0.7
— 花鍵的齒數(shù)；
— 鍵的工作長(zhǎng)度，單位為mm；
— 花鍵齒側(cè)的工作高度，矩形花鍵，，C為倒角尺寸，單位為mm；
— 花鍵平均直徑，矩形花鍵，單位為mm；
— 花鍵聯(lián)接時(shí)的許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa；
查文獻(xiàn)[8，6-108]表6-3，取的值為40MPa；
N·m
mm
<=40MPa
∴鍵的強(qiáng)度合格。
3.5 滾筒電機(jī)的選擇
已知 滾筒的轉(zhuǎn)速
滾筒的直徑
滾筒的速度
滾筒的有效功率
=
=
減速器效率
滾動(dòng)軸承效率 0.99
半聯(lián)軸器效率 0.99
則傳動(dòng)總效率
則，所需電動(dòng)機(jī)有效功率
=
查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)表4.12-1，可選Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)Y200L1-6額定功率
滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速， 由（文獻(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)裝置選用手冊(cè)表7.8-4）減速器傳動(dòng)比。
4 下密封閥的設(shè)計(jì)計(jì)算
液壓缸的設(shè)計(jì)和使用正確與否，直接影響到它的性能和易否發(fā)生故障。在這方面，經(jīng)常碰到的是液壓缸安裝不當(dāng)、活塞桿承受偏載、液壓缸或活塞下垂以及活塞桿的壓桿失穩(wěn)等問(wèn)題。所以，在設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)，必須注意如下幾點(diǎn)：
（1） 盡量使活塞桿在受拉狀態(tài)下承受最大載荷，或在受壓狀態(tài)下具有良好的縱向穩(wěn)定性。
（2） 考慮液壓缸行程終了處的制動(dòng)問(wèn)題和液壓缸的排氣問(wèn)題。缸內(nèi)如無(wú)緩沖裝置和排氣裝置，系統(tǒng)中需有相應(yīng)的措施。但是并非所有的液壓缸都要考慮這些問(wèn)題。
（3） 正確確定液壓缸的安裝、固定方式。如承受彎曲的活塞桿不能用螺紋連接，要用止口連接。液壓缸不能在兩端用鍵或銷(xiāo)定位，只能在一端定位，為的是不致阻礙它在受熱時(shí)的膨脹。如沖擊載荷使活塞桿壓縮，定位件需設(shè)置在活塞桿端，如為拉伸則設(shè)置在缸蓋端。
（4） 液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)須根據(jù)推薦的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡可能做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，加工、裝配和維修方便。
4.1 下密封閥中液壓缸的設(shè)計(jì)選取
1、選擇液壓缸的安裝方式：頭部、尾部銷(xiāo)軸。
2、求下密封閥開(kāi)啟、關(guān)閉所需液壓缸提供的驅(qū)動(dòng)力
設(shè)液壓缸所需最小力為驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)下密封閥的工作可得，下密封閥開(kāi)啟時(shí)只需克服閥板重量，關(guān)閉時(shí)不但克服閥板重量，還要克服料罐內(nèi)高壓氣體的壓力，在計(jì)算驅(qū)動(dòng)力的時(shí)候，應(yīng)取最大阻力。
閥板的質(zhì)量為188Kg，高壓氣體作用在閥板處，閥板的直徑為0.725m,
則：
=
圖4.1 下密封閥計(jì)算簡(jiǎn)圖
由圖4.1直角三角形可得：
==176.8 mm, =500 mm
由力矩平衡可列方程：
， 其中，
則，
由此推力選液壓缸：
4.2 下密軸的強(qiáng)度校核
由于下密軸的受力較大，并要求其尺寸較長(zhǎng)，需提高其強(qiáng)度性，以及處于較惡劣條件下工作，所以采用45鋼，為提高其強(qiáng)度(尤其是疲勞強(qiáng)度)和耐磨性，對(duì)其需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。查文獻(xiàn)[26,370] 表15-115-1軸的常用材料及主要力學(xué)性能 n取3。
1．計(jì)算軸的支承反力
下密軸受力如圖4.2所示。
圖4.2 上密軸受力簡(jiǎn)圖
由下密軸受力可列力矩平衡方程：
為液壓缸對(duì)下密封軸的最大力，為其力矩，
數(shù)值上=31.42KN, ==31.42×0.1768=5.56KN
曲柄處的轉(zhuǎn)矩==5.56KN （方向相反）
則，－
－1.842
30KN
由簡(jiǎn)圖4.2可列力矩平衡方程：
則，
根據(jù)第三強(qiáng)度理論校核：
圖4.3 下密軸的彎矩、扭矩圖
根據(jù)圖4.3可看出處受力為最大，故校核此截面即可。
式中： —軸的計(jì)算應(yīng)力，單位MPa
W —抗彎模量，W=單位mm
M —軸所受的最大彎矩，單位N·m
T —下密軸所受的扭矩，單位N·m
=
=
故滿(mǎn)足第三強(qiáng)度理論，符合強(qiáng)度要求。
4.3 平鍵校核
平鍵與液壓缸相聯(lián)接，選用普通平鍵即可滿(mǎn)足要求，因?yàn)槠芥I應(yīng)用最廣，適用于高精度、高速、變載荷和沖擊的場(chǎng)合，且加工方便，降低生產(chǎn)費(fèi)用。
其標(biāo)記查文獻(xiàn)[21]為：b×h× = 28×16×110
平鍵連接下密軸和液壓缸，下密軸為45鋼，有輕微載荷沖擊。故鍵聯(lián)接許用應(yīng)力，查文獻(xiàn)[21] 表21.3—3，取=130。
查文獻(xiàn)[21] 表21.3—2平鍵強(qiáng)度校核公式：
其中： T —傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位
d —軸的直徑，單位 ，其值=0.11m；
—鍵的工作長(zhǎng)度，其值 =L-b=110-28=0.082m；
K —鍵與輪榖接觸高度 m，平鍵k = ==0.008m
<
故此鍵符合強(qiáng)度要求。
5 潤(rùn)滑方法的選擇
5.1 潤(rùn)滑
潤(rùn)滑就是在機(jī)件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸表面之間加入潤(rùn)滑介質(zhì)，使其形成一層潤(rùn)滑膜，從而把直接接觸的摩擦表面分隔開(kāi)來(lái)，以減少摩擦、磨損，達(dá)到延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命，提高效率。
常用的潤(rùn)滑方式有油潤(rùn)滑、脂潤(rùn)滑和固體潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑。
1、油潤(rùn)滑：在高速高溫的條件下，通常采用油潤(rùn)滑。常用的潤(rùn)滑方法有油浴潤(rùn)滑、滴油潤(rùn)滑、飛濺潤(rùn)滑、噴油潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑。
2、脂潤(rùn)滑：潤(rùn)滑脂形成的潤(rùn)滑膜強(qiáng)度高，能承受較大的載荷，不易流失，最重要的是容易密封。對(duì)于那些不便經(jīng)常添加潤(rùn)滑劑的地方，或那些不允許潤(rùn)滑油流失而致污染產(chǎn)品的工業(yè)機(jī)械來(lái)說(shuō)，這種潤(rùn)滑方式十分適宜。
3、固體潤(rùn)滑：在一些特殊條件下，如果使用脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑達(dá)到不可靠的潤(rùn)滑要求時(shí)，則可采用固體潤(rùn)滑。
潤(rùn)滑劑根據(jù)物理形式可分為氣體潤(rùn)滑劑、液體潤(rùn)滑劑、半液體潤(rùn)滑劑及固體潤(rùn)滑劑，如潤(rùn)滑液、潤(rùn)滑脂、固體潤(rùn)滑劑等等。不同的潤(rùn)滑劑有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。
(1) 潤(rùn)滑液的作用不僅是潤(rùn)滑工作表面，以達(dá)到減少工作阻力，提高效率和延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備及零件的使用壽命的目的，同時(shí)還起沖洗、冷卻摩擦表面，緩沖減振，防銹，排污等作用。
(2) 潤(rùn)滑脂的特點(diǎn)是密封簡(jiǎn)單，不經(jīng)常更換，對(duì)減少高速電機(jī)自動(dòng)裝置及不足加油的設(shè)備的摩擦的意義重大，潤(rùn)滑脂受溫度的影響不大，對(duì)載荷性質(zhì)，運(yùn)動(dòng)速度的變化有較大的適用范圍，在垂直面上不易流失。其缺點(diǎn)是流動(dòng)性差，導(dǎo)熱系數(shù)小，不能作循環(huán)潤(rùn)滑劑。另外，其摩擦阻力大，機(jī)械效率低。
(3) 固體潤(rùn)滑劑的優(yōu)點(diǎn)：可用于高溫、高壓、高真空、高輻射、低溫等惡劣的工作環(huán)境中[18]。
5.1.1 減速器的潤(rùn)滑
影響減速器使用壽命的因素，除設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試、造型等因素外，選用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑方式和潤(rùn)滑油也是一個(gè)重要因素。為此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際使用的效果，現(xiàn)對(duì)減速器潤(rùn)滑做如下說(shuō)明：
潤(rùn)滑劑可分為氣體、液體、半固體和固體四種基本類(lèi)型。在液體潤(rùn)滑劑應(yīng)用最廣泛的是潤(rùn)滑油，包括礦物油、動(dòng)植物油、合成油和各種乳劑。潤(rùn)滑劑的作用不僅是潤(rùn)滑工作表面，以減少阻力，提高效率和延長(zhǎng)壽命，同時(shí)還起到?jīng)_洗、冷卻摩擦表面，緩沖減振防銹的作用；而油脂潤(rùn)滑特點(diǎn)是密封作用好，不需要經(jīng)常加換；而脂潤(rùn)滑形成的潤(rùn)滑膜強(qiáng)度高，能承受較大的載荷，不易流失，最重要的是容易密封。固體潤(rùn)滑劑優(yōu)點(diǎn)是可用于高溫、高壓、高真空、強(qiáng)輻射、低溫及惡劣的工作環(huán)境。本套設(shè)備的減速器主要采用脂潤(rùn)滑，它能夠很好的起到密封和潤(rùn)滑作用，這種潤(rùn)滑方式十分適宜減速器。
5.1.2 下密封閥潤(rùn)滑方式選擇
下密封閥安裝在料罐的下部，是高爐爐頂裝置中起均排壓密封作用的關(guān)鍵設(shè)備，要求密封性極高，故選擇容易密封的脂潤(rùn)滑即可。
下密軸的潤(rùn)滑方式采用的是脂潤(rùn)滑，脂潤(rùn)滑的油膜強(qiáng)度高能承受較大的載荷，不易流失，使用時(shí)間較長(zhǎng)，容易密封，一次加脂可以維持相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。能防止灰塵水分和其它雜物進(jìn)入軸承。所以下密軸的潤(rùn)滑方式都用脂潤(rùn)滑。
5.1.3 下節(jié)流閥潤(rùn)滑方式選擇
下節(jié)流閥的花鍵軸和花鍵軸套有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，要求密封和潤(rùn)滑性好，但是由于工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)的限制，綜合考慮采用最簡(jiǎn)單、最普遍的脂潤(rùn)滑即可。因?yàn)槭止ぜ又瑵?rùn)滑供油質(zhì)量較好，可靠性較好，耗油量適中，裝置復(fù)雜性小，維護(hù)工作量較好。查文獻(xiàn)[18] 表7.7.-5由操作工人定期旋轉(zhuǎn)杯蓋向需潤(rùn)滑部位間隙供脂，正常運(yùn)行時(shí)，每班加脂一次，每次將杯蓋轉(zhuǎn)1/4[19]。
6 設(shè)備可靠性與經(jīng)濟(jì)性分析
6.1 設(shè)備的可靠性
所謂可靠性，是指系統(tǒng)、設(shè)備或零部件在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。設(shè)備的可靠性是指貫穿整個(gè)壽命周期全過(guò)程的一個(gè)時(shí)間性指標(biāo)，從設(shè)計(jì)規(guī)劃、制造安裝、使用維護(hù)，到修理報(bào)廢為止，可靠性始終是設(shè)備的靈魂。而所謂經(jīng)濟(jì)性，不僅指優(yōu)先考慮這個(gè)設(shè)備選用價(jià)格比較便宜的材料，而是要綜合考慮選用這個(gè)材料對(duì)整個(gè)制造、運(yùn)行使用和維修成本等的影響，以達(dá)到最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，