大型臥式轉(zhuǎn)爐停車擺動(dòng)原因分析及解決方案

瞿鐵

(1.中信重工機(jī)械股份有限責(zé)任公司，河南洛陽 471039;2.礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽 471039)

某銅冶煉廠3臺(tái)Φ4.5 m×13 m臥式轉(zhuǎn)爐停車制動(dòng)時(shí)，爐體均會(huì)出現(xiàn)5°左右的往返扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)，且需經(jīng)3～4個(gè)擺動(dòng)周期后方能停止。該擺動(dòng)通過齒輪副對(duì)傳動(dòng)裝置造成很大沖擊，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)爐停位的準(zhǔn)確性，甚至導(dǎo)致相關(guān)輔助設(shè)備無法正常投入運(yùn)行，對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生了較大影響。本文通過對(duì)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，分析了造成停車擺動(dòng)的原因，并根據(jù)分析結(jié)果提出有針對(duì)性的解決方案。

1 轉(zhuǎn)爐扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)原因分析

臥式轉(zhuǎn)爐由傳動(dòng)裝置、爐體部分、托輪裝置組成：1）傳動(dòng)裝置由電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、小齒輪裝置等組成，是轉(zhuǎn)爐動(dòng)力單元，為爐體轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。2）爐體部分由爐體、滾圈、齒圈、爐口部件、供風(fēng)系統(tǒng)等組成。爐體由鋼板焊接而成，為適應(yīng)冰銅吹煉的高溫環(huán)節(jié)，爐體內(nèi)砌筑有耐火磚。3）托輪裝置由固定端托輪裝置和滑動(dòng)端托輪裝置組成。該裝置與爐體的滾圈對(duì)應(yīng)，支撐爐體回轉(zhuǎn)。Φ4.5 m×13 m臥式轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Φ4.5 m×13 m臥式轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)爐的運(yùn)動(dòng)過程包括加速啟動(dòng)、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和減速停車3個(gè)過程[1]，而爐體的擺動(dòng)發(fā)生在轉(zhuǎn)爐的減速停車階段。技術(shù)人員與現(xiàn)場工作人員經(jīng)過分析，認(rèn)為發(fā)生扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)有以下幾方面原因：1）轉(zhuǎn)爐停車是通過對(duì)減速機(jī)輸入軸制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。由于減速機(jī)傳動(dòng)副、大小齒輪副均有一定的間隙，因此停車后爐體圓周方向的自由度并沒有被完全約束，仍有小范圍的擺動(dòng)空間。2）爐體部分質(zhì)量大，爐口部分產(chǎn)生的偏心較大，且爐體內(nèi)為熔融狀態(tài)的冰銅，這使整個(gè)爐體具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。且由于停車時(shí)間短，負(fù)加速度很大，爐體自身強(qiáng)大的慣性會(huì)對(duì)傳動(dòng)鏈產(chǎn)生沖擊。3）由于傳動(dòng)鏈中的軸、齒輪、聯(lián)軸器等零部件都是剛性件，在強(qiáng)大的慣性沖擊力的作用下，會(huì)出現(xiàn)“反彈”現(xiàn)象，從而造成轉(zhuǎn)爐的往返扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)。4）與大多數(shù)臥式轉(zhuǎn)爐采用滑動(dòng)軸承支承不同，該冶煉廠3臺(tái)轉(zhuǎn)爐采用的是滾動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承阻尼非常小，系統(tǒng)停車后，托輪裝置對(duì)爐體的扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)抑制作用有限。5）為實(shí)現(xiàn)自鎖，減速器采用蝸輪蝸桿和直齒輪傳動(dòng)兩級(jí)減速。蝸輪采用鑄造錫青銅，材質(zhì)較軟，易磨損，長時(shí)間沖擊后，蝸輪副側(cè)隙會(huì)逐漸變大，導(dǎo)致爐體的擺動(dòng)幅度也隨之加大。通過上述分析可知，延長停車制動(dòng)時(shí)間、增加系統(tǒng)阻尼是解決轉(zhuǎn)爐扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)的有效途徑。

2 爐體轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)阻尼的仿真分析

2.1 仿真原理和仿真方法

轉(zhuǎn)爐的工作過程包括3個(gè)階段：1）加速啟動(dòng)階段，該階段電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過若干秒后達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。2）勻速轉(zhuǎn)動(dòng)階段，該階段保證爐體按照0.58 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)過一定角度。3）減速停車階段，該階段驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速會(huì)在一定時(shí)間從額定轉(zhuǎn)速減小至0。造成轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)的主要階段為停車階段，也是仿真分析主要研究的對(duì)象。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的制動(dòng)方式和具體制動(dòng)位置成為此次建模分析的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)爐裝置動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)爐裝置動(dòng)力學(xué)模型

如前所述，造成轉(zhuǎn)爐停車后爐體擺動(dòng)的因素有很多，但爐體的轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼和制動(dòng)時(shí)間是影響擺動(dòng)振幅的主要因素。結(jié)合后期實(shí)際改造方案的可行性，針對(duì)不同阻尼、不同停車時(shí)間的轉(zhuǎn)爐運(yùn)轉(zhuǎn)條件進(jìn)行仿真，分析二者對(duì)爐體擺動(dòng)的影響情況，并在此基礎(chǔ)上測算出爐體的擺動(dòng)幅值和擺動(dòng)頻率結(jié)果，為后期改造提供理論依據(jù)。

為便于計(jì)算，把對(duì)扭轉(zhuǎn)影響較大的軸和聯(lián)軸器等關(guān)鍵件視作柔性體，把爐體和齒輪等運(yùn)動(dòng)部件視作剛性體建模。仿真分析基于多體動(dòng)力學(xué)理論、ANSYS有限元分析軟件和RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)分析軟件。

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

為了觀察爐體轉(zhuǎn)動(dòng)支撐中阻尼對(duì)轉(zhuǎn)爐扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值衰減的影響，仿真時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸以相同的角加速度和角速度起停，角加速度和角速度曲線如圖3、圖4所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)軸角加速度曲線

圖4 驅(qū)動(dòng)軸角速度曲線

計(jì)算時(shí)，選擇停車時(shí)間為1 s、5 s、10 s 3種情況，爐體轉(zhuǎn)動(dòng)副阻尼為5 Ns/m、10 000 Ns/m、50 000 Ns/m和80 000 Ns/m 4種情況。從計(jì)算結(jié)果中提取爐體停車后，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)過程的轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨時(shí)間的變化情況。分析結(jié)果對(duì)比分別見圖5、表1。

表1 阻尼變化對(duì)轉(zhuǎn)爐扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響計(jì)算結(jié)果

圖5 阻尼變化對(duì)轉(zhuǎn)爐扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響變化曲線

從圖5、表1可以看出，爐體停車時(shí)間較短時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)副阻尼對(duì)轉(zhuǎn)爐扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值衰減影響規(guī)律基本一致。當(dāng)停車時(shí)間增大至10 s時(shí)，隨著阻尼的增加，轉(zhuǎn)爐扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值衰減幅度逐漸增加，當(dāng)爐體轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼取值為80 000 Ns/m，轉(zhuǎn)爐扭轉(zhuǎn)幅度衰減率最大增加至65.9%[1]。根據(jù)該動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可知，當(dāng)爐體部分的轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼不小于5 000 Ns/m，停車時(shí)間不小于5 s時(shí)，轉(zhuǎn)爐停車振動(dòng)幅值可以控制在1°以內(nèi)。

2.3 系統(tǒng)阻尼計(jì)算

轉(zhuǎn)爐的托輪裝置承受著整個(gè)爐體回轉(zhuǎn)部分的載荷，而托輪的支撐方式可采用滾動(dòng)軸承支撐或者滑動(dòng)軸承支撐。由于兩種軸承的阻尼系數(shù)不同，因此采用何種軸承支撐方式，對(duì)停車后抑制爐體擺動(dòng)的效果也有直接的影響。而兩種支撐方式的阻尼計(jì)算，也為結(jié)構(gòu)分析提供了理論依據(jù)。每檔支撐裝置的受力簡圖如下圖6所示?；剞D(zhuǎn)部分的質(zhì)量Q，包括爐內(nèi)物料、磚襯、爐本體、滾圈齒圈Gr以及托輪與軸的自重Gt，共約885 t。

圖6 每檔支撐裝置受力簡圖

每側(cè)支撐徑向力N'：

托輪軸徑上的摩擦力總和Pf：

已知爐體正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)速為0.58 r/min，托輪軸上的轉(zhuǎn)速為4.3 r/min。根據(jù)式（1）可推出不同軸承形式對(duì)應(yīng)的不同轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼，見表2。

表2 滾動(dòng)、滑動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼

由表2可知，托輪裝置采用滾動(dòng)軸承時(shí)，由于系統(tǒng)阻尼較小（713～1 421 Ns/m），不足以克服爐體慣性產(chǎn)生擺動(dòng)。而托輪裝置采用滑動(dòng)軸承時(shí)，系統(tǒng)阻尼為1 421～14 210 Ns/m，對(duì)爐體擺動(dòng)幅值可起到一定的抑制作用。因此，將支撐裝置由滾動(dòng)軸承改為滑動(dòng)軸承，也是解決爐體扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)的一種途徑。

3 轉(zhuǎn)爐停車擺動(dòng)解決方案

通過上文的仿真分析，經(jīng)討論，技術(shù)人員篩選出以下兩種解決方案：1）將原支撐裝置中8個(gè)滾動(dòng)軸承改為滑動(dòng)軸承，以增大轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼；2）不改變?cè)谓Y(jié)構(gòu)，在爐殼外部增設(shè)輔助阻尼剎車裝置。

3.1 方案對(duì)比分析

1）方案1。該方案對(duì)主體結(jié)構(gòu)的改動(dòng)量大，改造周期長，改造成本高，且因改造停機(jī)會(huì)造成較長時(shí)間的停產(chǎn)，不能在短時(shí)間內(nèi)有效地解決問題，因此該方案不具備可執(zhí)行性?？稍谝院筮M(jìn)行備件更換時(shí)，再整體將滾動(dòng)軸承支撐形式更換為滑動(dòng)軸承。

2)方案2。該方案是在無需對(duì)原結(jié)構(gòu)整改的前體下，而在爐體外部增加阻尼制動(dòng)設(shè)備。該方案的特點(diǎn)是改動(dòng)量小，改造成本低，制動(dòng)效果可控，且可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)爐體的改造，不影響正常的生產(chǎn)運(yùn)營。

通過對(duì)比分析，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際需求，技術(shù)人員綜合考慮改造速度、改造成本等指標(biāo)，最終按方案2進(jìn)行改造。

3.2 輔助阻尼剎車系統(tǒng)的工作原理

方案2是在爐體下方，依托原爐體支撐底座，增設(shè)一個(gè)輔助阻尼剎車系統(tǒng)，并與主電機(jī)進(jìn)行連鎖控制，輔助停車阻尼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。

圖7 輔助停車阻尼系統(tǒng)的原理

該系統(tǒng)的工作原理是：在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)停車后，通過加大輔助剎車系統(tǒng)制動(dòng)閘瓦與筒體之間的摩擦力，瞬時(shí)增大爐體自身的轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼，從而實(shí)現(xiàn)爐體的制動(dòng)，解決爐體停車擺動(dòng)的問題。

3.3 動(dòng)力單元設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真分析結(jié)果，制動(dòng)阻尼須大于5 000 Ns/m，選取型號(hào)JB 250×50-S的耐溫氣缸。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)停車后，氣缸將與爐體曲率半徑相同的制動(dòng)閘瓦頂起，通過閘瓦與滾圈之間的摩擦阻力協(xié)助爐體制動(dòng)。由于滾圈工作環(huán)境溫度較高，為避免滾圈與閘瓦摩擦生熱而產(chǎn)生明火，制動(dòng)閘瓦采用石棉剎車帶。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要求氣缸的控制系統(tǒng)與主電機(jī)互鎖，即主電機(jī)斷電后，氣路控制系統(tǒng)按順序打開，氣缸開始工作，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。氣缸控制系統(tǒng)原理見圖8。待氣缸通電保壓5 s后，自動(dòng)卸載；同時(shí)，通過支座上的拉力彈簧，將制動(dòng)體閘瓦復(fù)位。此時(shí)，閘瓦與滾圈脫開，不接觸。氣缸保壓時(shí)間可根據(jù)爐體的制動(dòng)效果調(diào)節(jié)。

圖8 氣缸控制系統(tǒng)原理簡圖

現(xiàn)場按此方案對(duì)第1臺(tái)轉(zhuǎn)爐改造后，爐體扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)得到了有效控制，效果理想。后續(xù)對(duì)其余兩臺(tái)也進(jìn)行了同樣改造。目前，3臺(tái)轉(zhuǎn)爐運(yùn)行良好。

3 結(jié)語

本文分析認(rèn)為，轉(zhuǎn)爐停車擺動(dòng)的原因主要為爐體的轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼不夠，利用仿真軟件對(duì)系統(tǒng)阻尼進(jìn)行計(jì)算，最后決定采取在爐體外增設(shè)輔助阻尼剎車系統(tǒng)的方案解決轉(zhuǎn)爐停車擺動(dòng)問題。該方案投資少，改動(dòng)量小，施工時(shí)不用拆除周邊設(shè)備，工期短，不影響吹煉系統(tǒng)的正常運(yùn)行，可為類似工程項(xiàng)目提供參考。