拉桿吊掛連接裝置的分析與研究

郭瑞芳

（中冶東方工程技術(shù)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

拉桿吊掛連接裝置的分析與研究

郭瑞芳

（中冶東方工程技術(shù)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

論文著重就三種拉桿吊掛裝置的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行介紹，并從工作原理上進(jìn)行分析，說(shuō)明這三種連接裝置的優(yōu)點(diǎn)以及存在的缺陷，明確了轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

拉桿吊掛連接裝置；結(jié)構(gòu)分析；工作原理；特點(diǎn)

0 引言

爐體通過連接裝置與托圈相連接。為了保證轉(zhuǎn)爐能正常工作，連接裝置應(yīng)保證：①連接裝置能將爐體牢靠地固定在托圈上；②在爐殼和托圈熱膨脹時(shí)，在徑向和軸向產(chǎn)生相對(duì)位移的情況下，不使位移受到限制，避免造成爐殼或托圈產(chǎn)生嚴(yán)重變形和破壞；③連接裝置中傳遞載荷重新分布后，造成的局部過載，不會(huì)引起特別嚴(yán)重的變形和破壞；④安裝方便，加工、維修容易。

截至目前，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)中廣泛采用的連接裝置結(jié)構(gòu)型式有：三點(diǎn)球面支承連接裝置、懸盤連接裝置、法蘭螺栓連接裝置、卡板夾持器連接裝置、薄帶連接裝置和拉桿吊掛連接裝置等類型，本文著重研究拉桿吊掛裝置。

1 結(jié)構(gòu)介紹和原理分析

拉桿吊掛裝置使用兩組拉桿，將爐體吊掛在托圈上。爐體直立時(shí)，靠一組垂直拉桿吊掛，爐體傾轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，靠另一組水平拉桿吊掛在托圈上。該結(jié)構(gòu)又分為四點(diǎn)靜不定系統(tǒng)和三點(diǎn)靜定系統(tǒng)，由于四點(diǎn)靜不定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)材料要求較高，制作困難；現(xiàn)只對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)材料要求不高，制作簡(jiǎn)單的三點(diǎn)靜定系統(tǒng)進(jìn)行論述。

1.1 俄羅斯100噸轉(zhuǎn)爐型三點(diǎn)拉桿吊掛裝置

爐殼下部有一加強(qiáng)箍，其上焊有吊掛爐體的支座，爐體通過兩個(gè)活動(dòng)垂直拉桿和一個(gè)固定垂直拉桿吊掛在托圈上。在驅(qū)動(dòng)側(cè)與固定拉桿對(duì)應(yīng)位置有水平拉桿。

爐體傾轉(zhuǎn)時(shí)，固定拉桿與水平拉桿一起承受托圈平面內(nèi)的橫向載荷。圖1為拉桿在托圈上的配置情況，兩個(gè)活動(dòng)垂直拉桿3配置在與耳軸軸線成60°的位置，固定垂直拉桿2和水平拉桿4的軸線則在耳軸軸線垂直的方向，活動(dòng)垂直拉桿和水平拉桿的結(jié)構(gòu)分別表示在圖2中。

由圖2可知，活動(dòng)垂直拉桿2通過兩個(gè)球鉸分別與上支座1和下支座9相連接。上支座1焊在托圈7的面板上，下支座9則與爐殼6焊在一起。水平拉桿11則是通過兩個(gè)球鉸，把焊在爐殼上的支承13與焊在托圈下面的支承12連接起來(lái)。

圖1 拉桿配置圖

圖2 垂直和水平拉桿連接結(jié)構(gòu)

爐體直立時(shí)，靠三點(diǎn)吊掛在托圈上。爐體傾轉(zhuǎn)時(shí)，托圈平面的橫向力則通過水平拉桿和固定垂直拉桿向托圈傳遞。水平拉桿和固定垂直拉桿還可防止?fàn)t體發(fā)生曠動(dòng)。

為了盡量減少爐殼及托圈對(duì)結(jié)構(gòu)使用性能的影響，這種結(jié)構(gòu)把吊掛爐體的支座放在爐體下部，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 “拉桿”，在爐體處于一定傾轉(zhuǎn)位置時(shí)，它們都會(huì)成 “壓桿”進(jìn)行工作。

這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在于采取了三點(diǎn)靜定的支承系統(tǒng)，拉桿球鉸的連接能充分地滿足各種變形的需要。因此，從結(jié)構(gòu)原理上說(shuō)，能較好地滿足前面提到的要求。這種結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①轉(zhuǎn)爐在任何位置時(shí)，都能將爐體負(fù)荷傳遞到托圈上面，并保持爐體在托圈中的正確位置；②能適應(yīng)爐體在軸向和徑向的脹、縮，而不產(chǎn)生曠動(dòng)；③將爐體負(fù)荷均勻地分布在托圈上，對(duì)爐殼的強(qiáng)度與變形的影響減小到最低限度；④考慮到變形的產(chǎn)生，能以預(yù)先確定的方式傳遞載荷，基本上避免了因靜不定問題的存在而使支承系統(tǒng)承受附加載荷；⑤該連接裝置工作環(huán)境相對(duì)較好，又采用了多個(gè)先進(jìn)的耐高溫、免維護(hù)型球鉸軸承，維護(hù)的工作量小，并且載荷傳遞元件的表面沒有間隙，從而避免了傾動(dòng)時(shí)的載荷震動(dòng)沖擊；⑥該連接裝置重量輕；⑦由于該連接裝置設(shè)置在爐體的下部，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；⑧該連接裝置設(shè)置在爐體的下部，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；⑨由于該連接裝置設(shè)置在爐體的下部，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)。

1.2 俄羅斯300噸轉(zhuǎn)爐型三點(diǎn)拉桿吊掛裝置

圖3 所示為俄羅斯300噸轉(zhuǎn)爐采用同一原理的連接，其結(jié)構(gòu)做了一些改動(dòng)，爐體用三根垂直拉桿1吊掛在托圈3上，橫向載荷則通過兩耳軸座下面的水平支承2傳遞。三根垂直拉桿在圓周是1200分布，其中在出鋼口對(duì)面 （相當(dāng)傾動(dòng)夾持器）位置上的一根為固定拉桿。

固定拉桿的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。圖中拉桿的上部支承座由原來(lái)在托圈上面移至下部固定。拉桿3下端開有切槽，切槽中嵌入帶有套筒的固定銷軸9。固定銷軸的支座與拉桿下支座8一起焊在爐殼上。

圖3 300噸轉(zhuǎn)爐的連接裝置

固定拉桿的作用，在于阻止?fàn)t體在托圈內(nèi)發(fā)生耳軸方向的擺動(dòng)。該連接裝置克服了爐體沿耳軸軸線的方向發(fā)生竄動(dòng)及托圈結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等缺陷，降低了托圈的制作難度。而且這種連接裝置在任何傾轉(zhuǎn)位置絕對(duì)沒有變形力，爐殼的所有變形均由懸掛系統(tǒng)補(bǔ)償，甚至是嚴(yán)重翹曲的爐殼。不會(huì)對(duì)爐殼或托圈造成損害，引起附加應(yīng)力。

1.3 三點(diǎn)拉桿吊掛裝置的另一種型式

圖5 所示為三點(diǎn)靜定系統(tǒng)吊掛裝置的另一種型式，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5 所示為連桿在托圈1上的配置情況，爐體5通過三個(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45°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6中。

由圖6可知：垂直連桿和水平連桿中的連桿10通過兩個(gè)球鉸5和兩個(gè)軸6鉸接，軸6又通過四個(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)向塊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，這種連接裝置設(shè)置在托圈的下面板上和爐體的下部，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。

該裝置與上述兩種結(jié)構(gòu)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：①由于該連接裝置設(shè)置在托圈的下面板上和爐體的下部，結(jié)構(gòu)合理，工作環(huán)境相對(duì)較好并且利于冷卻，爐體的變形較小，因此爐體的安裝和更換容易；②該連接裝置工作環(huán)境相對(duì)較好，又采用了多個(gè)先進(jìn)的耐高溫、免維護(hù)型球鉸軸承且這些球鉸軸承處于全封閉狀態(tài)，維護(hù)的工作量更?。虎墼撨B接裝置的設(shè)置對(duì)托圈的結(jié)構(gòu)沒有任何特殊的要求，因而托圈的制作簡(jiǎn)單；④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)該裝置不產(chǎn)生附加應(yīng)力，不改變其中軸的工作狀態(tài)；⑤各連桿受力狀況簡(jiǎn)單，均為二力桿。

該類型連接裝置的缺點(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，在生產(chǎn)過程中必須經(jīng)常定期進(jìn)行仔細(xì)檢查。

圖5 連桿配置圖

圖6 水平、垂直連桿結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)論

綜上所述，轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置從原理上分為：靜定和靜不定兩種結(jié)構(gòu)類型。靜定結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)能夠避免由于機(jī)械和溫度差引起的附加應(yīng)力；缺點(diǎn)在于系統(tǒng)中只要有一個(gè)構(gòu)件破壞，整個(gè)承載結(jié)構(gòu)就會(huì)失去作用，導(dǎo)致事故產(chǎn)生。而靜不定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有承載潛力，在系統(tǒng)中個(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。

但是，實(shí)際使用中靜定結(jié)構(gòu)較靜不定結(jié)構(gòu)重量輕，制造、安裝、維修容易，特別在延長(zhǎng)轉(zhuǎn)爐的使用壽命方面優(yōu)勢(shì)明顯。靜定結(jié)構(gòu)代替靜不定結(jié)構(gòu)是今后轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。而三點(diǎn)靜定吊掛連接裝置因其結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)、制作、安裝容易，使用中不會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，可延長(zhǎng)爐體和托圈的壽命，在大型轉(zhuǎn)爐的設(shè)計(jì)中可作為連接裝置的最優(yōu)方案采用。

[1]譚牧田.氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[2]黃錫愷 鄭文緯.機(jī)械原理[M].上海：人民教育出版社，1981.

[3]聞名.一種新型實(shí)用的轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置[J].冶金科技2005，1.

Analysis and Research of the Hanging Rod Connected Devices

GUO Rui-Fang
(The BERIS Corporation,Baotou Inner Mongolia 014010,China)

This article introduced three types of the structure of rod hanging devices.Depending on the analysis of the working principle，expatiating the advantages and disadvantages of these three connected devices.And defined the future about the technology of the connect devices for converter trunnion ring and converter.

the hanging rod connected devices；structural analysis；working principle；feature

TH122

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.032

1002－6673（2014）03－079－03

2014－04－09

郭瑞芳（1982-），女，工程師。主要從事鋼鐵冶金設(shè)備的設(shè)計(jì)研究工作。