铁水罐耳轴强度及安全性能变化分析

瞿建华 王旭

摘要：阐述了钢包和铁水罐耳轴的重要性。从设计的角度出发，耳轴的结构特点入手，就其材质的选择和强度的计算进行综合分析，从而计算出耳轴直径与安全系数之间的函数关系，得出两者的曲线变化图。

关键词：铁水罐;耳轴;结构;材质;强度计算;函数关系

一、问题的提出

筑炉车间承接高炉140t铁水罐在线维保业务。铁水罐是冶金行业使用非常广泛的一种设备，它的作用是装运高炉生产出来的铁水，并通过运输火车将其运送到铸铁作业区铸铁或炼钢厂炼钢。铁水罐的安全稳定运行责任重大，而耳轴是整个铁水罐的承重点，是起吊铁水罐的关键部件，它直接影响着整个铁水罐的安全。

耳轴的使用首先应考虑安全因素，其次由于使用频率高，耳轴直径磨损快，达到规定下限必须更换，而更换成本较高（25000元/对）。从其经济适用性考虑，如何通过耳轴的强度分析计算出耳轴轴径与安全系数之间的函数关系，找到两者之间的平衡点，从而达到节约铁水罐维护成本，降低铁水罐安全隐患的目的，是本文的关键所在。

二、耳轴的结构特点

耳轴通过耳轴箱与包体组接到一起，耳轴箱是一种箱体梁结构。耳轴上的承载力传递到耳轴箱，耳轴箱将力传递到包体上，从而使耳轴承载起整个铁水罐的重量。耳轴主要有四种结构形式，而在线维保的140t铁水罐耳轴结构如右图1所示。它的特点是耳轴为圆柱体，先镶嵌耳轴到耳轴块里，然后将耳轴块通过耳轴箱焊接到钢包体上。耳轴为锻件，耳轴块可以做成锻件也可以做成铸件。该结构的优点是耳轴为小型锻件，易采购，易加工;缺点是耳轴向耳轴块的镶嵌工艺比较难以控制，目前的三种工艺是冷装、热装和压装，都会给车间生产制作带来难度。该结构适用于各种类型的钢包和大型铁水罐。

二、耳轴的材质选择

铁水罐耳轴承重量大，需要较高的安全性;耳轴与包体之间需要一定量的焊接。基于以上两点考虑，耳轴一般情况下锻制而成，材料我们一般选20CrMo。该材质热强度较高，淬透性较好，在520℃以下有较好的热强性，无回火脆性，焊接性相当好，形成冷裂的倾向很小，可切削性及冷应变塑性良好。其化学成分见表1、材料性见表2。

耳轴锻造后，精加工前应该调质处理，处理过后其硬度在HBW217～255之间，其综合性能满足了需求。

三、耳轴的强度设计

（1）受力分析

耳轴主要承受静载荷，起吊瞬间考虑冲击载荷和耳轴圆角处的应力集中。静载荷具体为铁水罐总重的一半，铁水罐总重包括铁水罐自重、炉衬重、钢水重引起的力，我们记为Qmax。

从图3中看到耳轴根部受到的复合力最为严重。

D、B的尺寸与吊车和吊车的板钩匹配;μ是吊钩和耳轴的摩擦系数，取μ=0.2。

（2）求应力（根据下面的应力公式表得出三种受力方式的应力）

（3）根据第三强度理论的合成应力

kw为载荷系数;kδ为弯曲时的有效应力集中系数;Kτ为扭转时的有效应力集中系数。

（4）安全系数：n=，δs为选用材质的屈服极限。

四、耳轴的直径d与安全系数n之间的函数关系

由第三部分耳轴的强度设计里所列出的计算公式可发现铁水罐的耳轴直径d与安全系数n之间存在函数关系。

下面以我公司承接的140T铁水罐为例计算出两者之间的函数关系式。140T铁水罐满载时总重220t，耳轴宽度B=200mm，因耳轴材质为20CrMo，查询表2可知δs=685，则计算如下：

从而得出耳轴直径d与安全系数n之间存在的函数关系式。

五、耳轴直径d与安全系数n的函数变化曲线图

根据两者的函数关系式，利用Excel软件，分项计算求和。把公式n=685÷分成以下8部分在Excel中逐步求和：

当在耳轴直径d的空格里输入数值时，安全系数n的空格里就会自动生成相对应的数值。例如当轴径输入为290时，安全系数n为13.12。根据《炼钢安全规程AQ2001-2004》中的相关规定绘制出了140T铁水罐耳軸直径的安全性能变化表（表3）及变化曲线图（图3）。

六、结束语

耳轴安全性能随着直径的磨损减少而逐渐降低，但实际中还有更多更复杂的因素影响着耳轴的安全性能。因此在日常生产中，要加强铁水罐耳轴的维护与保养：定期对耳轴进行探伤，必要时给耳轴加上耳轴套，对没有耳轴套的耳轴，要定期查看耳轴的磨损情况，发现磨损严重的最好进行电镀修复并消除应力后再使用。