摘
要：简要介绍了转炉倾动机构的结构形式、扭力杆装置的
作用及工作原理，并以实际的生产项目为例对扭力杆进行了校核计算和有限元分析。
关键词：转炉倾动机构；扭力杆；有限元分析
1概述
转炉倾动机构是实现转炉炼钢正常生产的关键设备之一，它用于氧气顶吹转炉炼钢设备中炉体的平稳倾动和准确定位，以实现转炉兑钢水、出钢、加料及修炉等工艺操作。
其工作特点是低速、重载、环境温度高、速比大、启动和制动频繁，以及所承受的冲击负荷较大和工作条件恶劣等。
扭力杆在倾动机构中起到抗扭缓冲的作用，所以对扭力杆进行校核计算具有重要意义。
下面用Pro/E 三维仿真程序中的Abaqus/standard 有限元分析模块对扭力杆的受力变形进行理论分析。
2转炉倾动机构的结构
转炉倾动机构主要由电动机、一次减速机、二次减速机和扭力杆装置等组成。
倾动机构有三种布置形式，即落地式、半悬挂式和全悬挂式，综合几种布置形式的优缺点，现多采用全悬挂式。
全悬挂式的特点是整套传动机构全部挂在耳轴外伸端上。
图1为某转炉倾动机构的结构，采用全悬挂式四点柔性啮合的配置形式。
由四个电动机分别带动四个一次减速机，四个一次减速机的末级小齿轮同时驱动二次减速机的大齿轮。
为了防止悬挂在耳轴上的传动机构绕耳轴旋转，二次减速机箱体通过扭力杆柔性抗扭缓冲装置连接，整个二次减速机用两端铰接的两根立杆通过曲柄与水平扭力杆连接而支撑于基础上，通过扭力杆装置将传动装置的反力矩传递到基础上。
3扭力杆装置的工作原理
转炉倾动机构多采用水平扭力杆装置，这种装
置是一种性能较好的柔性抗扭缓冲装置。
它的缓冲
原理是利用细长的扭力杆的弹性变形来吸收能量，即把外力矩转化为扭力杆的扭转内力矩，这样可以使传动力矩逐渐增加或减少，从而起到缓冲的作用。
目前，许多大转炉的倾动机构均采用水平扭力杆的抗扭缓冲装置。
从转炉倾动机构的结构原理（见图1）可知，二次减速机两侧分别与两根立杆铰接，立杆的另一端与曲柄铰接，而曲柄用键装在扭力杆上，扭力杆通过轴承支撑在基础的支座上。
倾动机构工作时，传动装置两侧的立杆一个向下压，一个向上拉，使扭力杆承受扭矩。
这种结构的显著优点是：通过扭力杆和立杆加在悬挂减速机上的一个力偶矩来防止倾动机构转动，因而不会在耳轴上造成附加载荷。
此外，由于立杆的两端均为铰接，所以当耳轴产生挠曲变形时二次减速机箱体可作相应的空间位移，而不影响齿轮副的正确啮合。
4扭力杆的校核计算
我公司为某钢厂生产的150t 转炉倾动装置，其
公称容量为150t,最大工作倾动转矩为M =3500kN ·
m ，初步设定扭力杆的两个支撑之间的距离为L 2=5080mm ，两个曲柄间的距离为L 1=4400mm ，曲柄的偏心距为S =508mm 。
作用在曲柄上的力可以等效为作用在扭力杆上
转炉倾动机构中扭力杆的校核
大连华锐股份有限公司通用减速机厂王欠欠
魏江
重工与起重技术
HEAVY INDUSTRIAL ＆HOISTING MACHINERY No．32009Serial No．23
2009年第3期总第23期图1转炉倾动机构的结构
1.电动机
2.一次减速机
3.二次减速机
4.立杆
5.曲柄
6.扭力杆
7.耳轴
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的力F 与力偶矩M C ，以及力F ′与力偶矩M D ，扭力杆
装置与曲柄装置可以简化为如图2中（a ）所示的机构，可得：
F =F ′=
M L 1=3500kN ·m
4400mm =795.4545kN M C =M D =F ×S ＝404.0909kN ·m ，方向与M D 相反。
由截面法得出：在AC 、DB 段内的扭矩为0；在CD 段内的扭矩T =404.0909kN ·m ，方向为正。
图2中
（b ）为各轴段的扭矩图。
设支点A 、B 处的支反力分别为F A 、F B ，由平衡方程式F A ×AB +F ′×BD －F ×BC =0和F B ×AB +F ×AC －F ′×AD =0，可得F A ＝689kN ，F B ＝689kN 。
由平衡方程式可求出以下各轴段的弯矩方程式：
M 1=0.689x （0＜x ≤340)
M 2=270.5-0.106x (340＜x ≤4740)M 3=0.689x -3500（4740＜x ＜5080)图2（c ）为各轴段的弯矩图，扭力杆在曲柄连接处（C 、D 两点）的当量弯矩最大，为：
M 合=M 2
+0.75T 2
姨=421kN ·m
式中：
M —弯矩；
T —扭矩。
由于应力集中，可知扭力杆的危险截面为轴径突变处，轴的最小直径为320mm ，扭力杆的有效变形长度为L =4400－146=4254mm ，由扭转角的计算公式Φ=TL
可得：Φ=404×4254×106
=0.0209rad=1.2°（Φ小于
最大允许扭转角3°，
扭力杆满足要求。
）式中：
T —截面上的扭矩；
L —扭力杆的有效变形长度；G —扭力杆的扭转弹性模量，G=8×104N/mm 2；
J —抗扭惯性矩，J =πd 4
=1029.43×106mm 4。
5扭力杆有限元分析
用软件Abaqus 对扭力杆进行有限元分析。
在三维软件Pro/E 中，建立三维模型。
将模型文件存为*.stp 格式,在Abaqus 中导入*.stp 文件，图3为扭力杆的力学模型。
选用Abaqus/standard 模块中的C3D8R 单元作为有限元的基本单元，对扭力杆进行有限元分析，单
元总数为70585。
分析完成后，最大扭转角为0.02169rad=1.24°。
有限元分析所得结果与计算结果相吻合，扭力杆满足要求。
6结论
由于扭力杆装置在转炉倾动机构的重要作用，所
以需要对扭力杆进行严格的校核计算。
应用Pro/E 三维仿真程序中的Abaqus/standard 有限元分析模块对扭力杆的设计进行检验，以保证设备的安全使用，使扭力杆发挥其作用。
参考文献
[1]机械设计手册.化学工业出版社
[2]马世麟,傅仁本.材料力学.机械工业出版社[3]罗振才,炼钢机械.冶金工业出版社
重工与起重技术
HEAVY INDUSTRIAL ＆HOISTING MACHINERY
图2扭力杆受力分析
图3扭力杆的力学模型
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