鱼雷型混铁车扭力杆强度的计算

供稿|郝晓静 / HAO Xiao-jing

内容导读

秦冶重工有限公司自主研发的鱼雷型混铁水车采用了全悬挂、柔性支承、少齿差减速机的罐体倾翻传动系统.减速机悬挂在鱼雷罐主动端枢轴上,通过扭力杆与主动端平台的固定座连接.文章介绍了传动系统减速机柔性支撑的扭力杆的强度计算方法.

秦冶重工有限公司自行研发的、具有知识产权的鱼雷型混铁车,其倾翻传动装置的传动系统与炼钢转炉倾动传动结构类似,采用的是全悬挂柔性支撑三环减速机传动:罐体两端为轴式结构;传动系统中的末级减速机(二级减速机)输出为空心套结构,直接悬挂在鱼雷罐主动端枢轴上;输入电机与一级减速机直接相连;一级减速机输出端与末级减速机输入端直接相连;末级减速机再通过柔性支撑杆固定于主动端平台上,起到减速机柔性支撑固定的目的.结构形式如图1所示,适用于大转矩、大减速比、低转速的传动场合.这种安装方式可以避免因罐体使用过程中刚度变化而影响减速机内部齿间啮合情况.

图1 秦冶鱼雷型混铁车

扭力杆

首次生产的柔性支撑杆(生产图样名称为扭力杆,以下简称扭力杆)用于邯钢320 t混铁车,材质采用的是弹簧钢60Si2CrVA,该材料具有较好的淬透性和可加工性,经淬火加中温回火的热处理方式,以期热处理后获得高强度、高屈强比、高疲劳强度及高弹性极限的回火屈氏体组织,以满足其工况条件.

弹簧钢本身具有良好的淬透性,可以使材料热处理后的硬度达到HRC45以上.生产过程中,工件加工后按热处理工艺处理后获得预期的、理想的硬度值.由于工件尺寸的影响、材料成分的偏差、热处理参数的偏差、热处理设备的影响等,往往造成最终热处理后检查结果与要求值有一定的差距.了解工件使用过程中的应力水平,再根据实际热处理后的硬度值,参照硬度与性能曲线,判断与理想要求有一定偏差的工件能否满足实际工况的要求.要做出正确判断,就要求我们首先掌握扭力杆的应力状况.

秦冶重工有限公司为山西汶水海威配套的320 t鱼雷型混铁车,其倾翻传动装置采用的即是全悬挂柔性支撑三环减速机传动,其扭力杆材质为60Si2CrVA,这是一种自平衡式单扭力杆,其结构简图如图2所示.

图2 扭力杆结构示意

以汶水海威320 t鱼雷罐车扭力杆为例,介绍扭力杆的应力计算过程.

受力分析

鱼雷罐在为转炉炼钢输送铁水过程中,要在一定角度范围内倾翻作业.倾翻过程中,由于铁水不断从罐口流出,罐的总重量不断变化,整体重心相对于罐体枢轴的位置也不断变化,倾翻所需的、克服由于罐体整体重心相对于枢轴的转矩(阻力矩)就不断变化,重心位置相对于旋转枢轴的位置关系如图3所示.

图3 罐重心位置分布示意

图4 扭力杆受力分析示意

校核过程

电机实际输出的动力大小是根据负载情况决定的,倾翻作业过程中,造成倾翻减速机及扭力杆所承受的扭矩也不断变化--扭矩从低到高、再由高到低循环变化.

电机所需输出转矩最大值为罐体重心偏离枢轴旋转中心而产生的最大转矩,减速机必须承受电机输出传递给减速机的扭矩.汶水海威320 t鱼雷罐车配套的三环减速机许用转矩是按实际倾翻需要的转矩配套设计的,减速机设计输出转矩最大值为T =350 kN.m.对扭力杆进行受力分析结果如图4.图中扭力臂处的力F为因减速机产生的转矩而作用在该处的力,通过减速机转矩计算而来.MG为为使扭力臂平衡而产生的扭力臂与扭力杆间反作用力F'产生的弯矩,Mτ为力F与扭力杆存在一定的距离A而使扭力杆产生的转矩,M为合成弯矩.扭力杆力学校核计算过程及结果见表1.

表1 扭力杆强度校核计算结果

通过计算确定危险截面为1-1截面及4-4截面,计算应力值分别为σ1=147.719 MPa、τ4=217.326 MPa.判定工件是否满足安全使用条件,除校核强度外,还需校核刚度条件.考虑环境温度的影响,工作环境温度为150~200℃,温度修正系数K取0.98~0.99,材料的切变模量Gτ按温度修正系数K=0.985进行修正计算,计算结果如表2.

表2 扭力杆刚度校核计算结果

扭力杆是在交变载荷条件下工作的,其载荷情况可以看成是脉动循环应力,因此校核时应按疲劳极限计算:强度条件σ≤[σp],σp为材料的许用应力,τ ≤[σ-1];刚度条件φ≤3°.

几种弹簧钢及常用轴类材质的性能参数表3.

表3 几种常用轴类材质的性能参数

校核的意义

通过计算可知扭力杆的强度和刚度均通过校核条件,可安全使用.如果考虑载荷的冲击系数K1,取1.3进行计算(K1=1.25~1.35),安全系数n1=[σp]/K1/σmax=3.69,n2=[τp]/K1/τmax=1.95.

总之,通过扭力杆尺寸的合理确定,合理选择材质,采取适当的表面强化工艺处理等,终将获得性价比高的设计与工艺的匹配,满足扭力杆使用性能的要求,同时尽可能的降低制造成本.

[1] 成大先. 机械设计手册. 第5版. 北京:化学工业出版社,2008.

[2] 刘鸿文. 材料力学I . 第4版. 北京:高等教育出版社,2004.