大型卧式转炉停车摆动原因分析及解决方案

2022-05-17瞿铁

有色冶金设计与研究 2022年2期

瞿铁

(1.中信重工机械股份有限责任公司，河南洛阳 471039;2.矿山重型装备国家重点实验室，河南洛阳 471039)

某铜冶炼厂3台Φ4.5 m×13 m卧式转炉停车制动时，炉体均会出现5°左右的往返扭转摆动，且需经3～4个摆动周期后方能停止。该摆动通过齿轮副对传动装置造成很大冲击，严重影响转炉停位的准确性，甚至导致相关辅助设备无法正常投入运行，对整个转炉系统的稳定产生了较大影响。本文通过对转炉系统的运动过程进行动力学仿真计算，分析了造成停车摆动的原因，并根据分析结果提出有针对性的解决方案。

1 转炉扭转摆动原因分析

卧式转炉由传动装置、炉体部分、托轮装置组成：1）传动装置由电机、减速器、联轴器、制动器、小齿轮装置等组成，是转炉动力单元，为炉体转动提供动力。2）炉体部分由炉体、滚圈、齿圈、炉口部件、供风系统等组成。炉体由钢板焊接而成，为适应冰铜吹炼的高温环节，炉体内砌筑有耐火砖。3）托轮装置由固定端托轮装置和滑动端托轮装置组成。该装置与炉体的滚圈对应，支撑炉体回转。Φ4.5 m×13 m卧式转炉结构如图1所示。

图1 Φ4.5 m×13 m卧式转炉结构

转炉的运动过程包括加速启动、匀速转动和减速停车3个过程[1]，而炉体的摆动发生在转炉的减速停车阶段。技术人员与现场工作人员经过分析，认为发生扭转摆动有以下几方面原因：1）转炉停车是通过对减速机输入轴制动来实现的。由于减速机传动副、大小齿轮副均有一定的间隙，因此停车后炉体圆周方向的自由度并没有被完全约束，仍有小范围的摆动空间。2）炉体部分质量大，炉口部分产生的偏心较大，且炉体内为熔融状态的冰铜，这使整个炉体具有较大的转动惯量。且由于停车时间短，负加速度很大，炉体自身强大的惯性会对传动链产生冲击。3）由于传动链中的轴、齿轮、联轴器等零部件都是刚性件，在强大的惯性冲击力的作用下，会出现“反弹”现象，从而造成转炉的往返扭转摆动。4）与大多数卧式转炉采用滑动轴承支承不同，该冶炼厂3台转炉采用的是滚动轴承。滚动轴承阻尼非常小，系统停车后，托轮装置对炉体的扭转摆动抑制作用有限。5）为实现自锁，减速器采用蜗轮蜗杆和直齿轮传动两级减速。蜗轮采用铸造锡青铜，材质较软，易磨损，长时间冲击后，蜗轮副侧隙会逐渐变大，导致炉体的摆动幅度也随之加大。通过上述分析可知，延长停车制动时间、增加系统阻尼是解决转炉扭转摆动的有效途径。

2 炉体转动系统阻尼的仿真分析

2.1 仿真原理和仿真方法

转炉的工作过程包括3个阶段：1）加速启动阶段，该阶段电机转速经过若干秒后达到额定转速。2）匀速转动阶段，该阶段保证炉体按照0.58 r/min的转速转过一定角度。3）减速停车阶段，该阶段驱动转轴的转速会在一定时间从额定转速减小至0。造成转炉系统扭转摆动的主要阶段为停车阶段，也是仿真分析主要研究的对象。转炉系统的制动方式和具体制动位置成为此次建模分析的关键。转炉装置动力学模型如图2所示。

图2 转炉装置动力学模型

如前所述，造成转炉停车后炉体摆动的因素有很多，但炉体的转动阻尼和制动时间是影响摆动振幅的主要因素。结合后期实际改造方案的可行性，针对不同阻尼、不同停车时间的转炉运转条件进行仿真，分析二者对炉体摆动的影响情况，并在此基础上测算出炉体的摆动幅值和摆动频率结果，为后期改造提供理论依据。

为便于计算，把对扭转影响较大的轴和联轴器等关键件视作柔性体，把炉体和齿轮等运动部件视作刚性体建模。仿真分析基于多体动力学理论、ANSYS有限元分析软件和RecurDyn多体动力学分析软件。

2.2 动力学仿真计算

为了观察炉体转动支撑中阻尼对转炉扭转振动幅值衰减的影响，仿真时驱动转轴以相同的角加速度和角速度起停，角加速度和角速度曲线如图3、图4所示。

图3 驱动轴角加速度曲线

图4 驱动轴角速度曲线

计算时，选择停车时间为1 s、5 s、10 s 3种情况，炉体转动副阻尼为5 Ns/m、10 000 Ns/m、50 000 Ns/m和80 000 Ns/m 4种情况。从计算结果中提取炉体停车后，扭转振动过程的转动角度随时间的变化情况。分析结果对比分别见图5、表1。

表1 阻尼变化对转炉扭转振动的影响计算结果

图5 阻尼变化对转炉扭转振动的影响变化曲线

从图5、表1可以看出，炉体停车时间较短时，转动副阻尼对转炉扭转振动幅值衰减影响规律基本一致。当停车时间增大至10 s时，随着阻尼的增加，转炉扭转振动幅值衰减幅度逐渐增加，当炉体转动阻尼取值为80 000 Ns/m，转炉扭转幅度衰减率最大增加至65.9%[1]。根据该动力学仿真结果可知，当炉体部分的转动阻尼不小于5 000 Ns/m，停车时间不小于5 s时，转炉停车振动幅值可以控制在1°以内。

2.3 系统阻尼计算

转炉的托轮装置承受着整个炉体回转部分的载荷，而托轮的支撑方式可采用滚动轴承支撑或者滑动轴承支撑。由于两种轴承的阻尼系数不同，因此采用何种轴承支撑方式，对停车后抑制炉体摆动的效果也有直接的影响。而两种支撑方式的阻尼计算，也为结构分析提供了理论依据。每档支撑装置的受力简图如下图6所示。回转部分的质量Q，包括炉内物料、砖衬、炉本体、滚圈齿圈Gr以及托轮与轴的自重Gt，共约885 t。

图6 每档支撑装置受力简图

每侧支撑径向力N'：

托轮轴径上的摩擦力总和Pf：

已知炉体正常运行的转速为0.58 r/min，托轮轴上的转速为4.3 r/min。根据式（1）可推出不同轴承形式对应的不同转动阻尼，见表2。

表2 滚动、滑动轴承的转动阻尼

由表2可知，托轮装置采用滚动轴承时，由于系统阻尼较小（713～1 421 Ns/m），不足以克服炉体惯性产生摆动。而托轮装置采用滑动轴承时，系统阻尼为1 421～14 210 Ns/m，对炉体摆动幅值可起到一定的抑制作用。因此，将支撑装置由滚动轴承改为滑动轴承，也是解决炉体扭转摆动的一种途径。

3 转炉停车摆动解决方案

通过上文的仿真分析，经讨论，技术人员筛选出以下两种解决方案：1）将原支撑装置中8个滚动轴承改为滑动轴承，以增大转动阻尼；2）不改变原支撑结构，在炉壳外部增设辅助阻尼刹车装置。

3.1 方案对比分析

1）方案1。该方案对主体结构的改动量大，改造周期长，改造成本高，且因改造停机会造成较长时间的停产，不能在短时间内有效地解决问题，因此该方案不具备可执行性。可在以后进行备件更换时，再整体将滚动轴承支撑形式更换为滑动轴承。

2)方案2。该方案是在无需对原结构整改的前体下，而在炉体外部增加阻尼制动设备。该方案的特点是改动量小，改造成本低，制动效果可控，且可在短时间内实现炉体的改造，不影响正常的生产运营。

通过对比分析，结合现场的实际需求，技术人员综合考虑改造速度、改造成本等指标，最终按方案2进行改造。

3.2 辅助阻尼刹车系统的工作原理

方案2是在炉体下方，依托原炉体支撑底座，增设一个辅助阻尼刹车系统，并与主电机进行连锁控制，辅助停车阻尼系统结构原理如图7所示。

图7 辅助停车阻尼系统的原理

该系统的工作原理是：在驱动系统停车后，通过加大辅助刹车系统制动闸瓦与筒体之间的摩擦力，瞬时增大炉体自身的转动阻尼，从而实现炉体的制动，解决炉体停车摆动的问题。

3.3 动力单元设计

根据仿真分析结果，制动阻尼须大于5 000 Ns/m，选取型号JB 250×50-S的耐温气缸。转炉系统停车后，气缸将与炉体曲率半径相同的制动闸瓦顶起，通过闸瓦与滚圈之间的摩擦阻力协助炉体制动。由于滚圈工作环境温度较高，为避免滚圈与闸瓦摩擦生热而产生明火，制动闸瓦采用石棉刹车带。电气系统设计时，要求气缸的控制系统与主电机互锁，即主电机断电后，气路控制系统按顺序打开，气缸开始工作，实现制动。气缸控制系统原理见图8。待气缸通电保压5 s后，自动卸载；同时，通过支座上的拉力弹簧，将制动体闸瓦复位。此时，闸瓦与滚圈脱开，不接触。气缸保压时间可根据炉体的制动效果调节。