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新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)鋼鐵工業(yè)飛速發(fā)展。1964年，我國(guó)第一座氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼車間建成投產(chǎn)。目前，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備在我國(guó)鋼鐵行業(yè)中發(fā)揮著極為重要的作用，促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的本體系統(tǒng)由爐體、爐體支撐系統(tǒng)、傾動(dòng)機(jī)構(gòu)和扭矩平衡裝置組成。轉(zhuǎn)爐的爐體包括爐殼和爐襯，爐殼一般為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，爐襯包括工作層、永久層和充填層。爐體及附件的全部重量通過(guò)支撐系統(tǒng)傳遞到基礎(chǔ)上。
爐體支承系統(tǒng)主要包括托圈、托圈與爐體間的連接裝置、耳軸、耳軸軸承和底座。托圈和耳軸是轉(zhuǎn)爐的重要承載部件和傳動(dòng)部件，其安全性能直接影響轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的運(yùn)行性能。為確保轉(zhuǎn)爐的正常運(yùn)行，需要對(duì)設(shè)計(jì)出的托圈與耳軸進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析。托圈的結(jié)構(gòu)其斷面一般為矩形箱體結(jié)構(gòu)，在中間焊有垂直筋板以增加其剛度。在工作過(guò)程中，托圈除承受爐體、鋼液及爐體附件的靜載荷和傳遞傾動(dòng)力外，還承受頻繁啟、制動(dòng)產(chǎn)生的負(fù)荷，及爐體、鋼水罐、渣罐、煙罩及噴濺物的熱輻射、熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生的熱負(fù)荷。耳軸分為從動(dòng)端耳軸和驅(qū)動(dòng)端耳軸。耳軸受熱會(huì)變形，為了適應(yīng)耳軸伸長(zhǎng)的位移，有一側(cè)耳軸的軸承選用軸向游動(dòng)的，其軸承支座為鉸鏈連接結(jié)構(gòu)。通常情況下，驅(qū)動(dòng)端耳軸的軸承選用軸向固定的軸承，從動(dòng)端耳軸的軸承選用軸向游動(dòng)的軸承。
爐體連接裝置的形式有鏈桿式、懸掛式、夾持器連接、薄片鋼帶連接等。這里研究的轉(zhuǎn)爐的爐體連接裝置是鏈桿式。爐體通過(guò)三個(gè)垂直鏈桿和兩個(gè)水平鏈桿連接在托圈上。兩個(gè)水平鏈桿分別位于驅(qū)動(dòng)端耳軸和從動(dòng)端耳軸上。爐體及其載荷的全部重量Q通過(guò)托圈的支承點(diǎn)傳遞到托圈上。如果支承方式不同，托圈支承點(diǎn)的數(shù)目也有所不同。三點(diǎn)以上的支承屬于超靜定問題。在轉(zhuǎn)爐工作過(guò)程中，托圈平面的橫向力通過(guò)水平鏈桿和固定支承向托圈傳遞，可以將鏈桿簡(jiǎn)化為二力桿。
當(dāng)轉(zhuǎn)爐爐體轉(zhuǎn)動(dòng)a角后，托圈所受的外力有爐體及載荷的全部重量Q、爐體及載荷的反力矩MQ-Q和耳軸軸承的支反力等。即爐體及載荷的反力矩MQ等于使轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)的傾動(dòng)力矩M。爐體及載荷的全部重量Q在托圈上產(chǎn)生外力，該外力在每個(gè)支承點(diǎn)上可分解為平行于托圈平面的載荷P，與垂直于托圈平面的載荷。
當(dāng)垂直于環(huán)平面的載荷作用在托圈上時(shí)，內(nèi)力計(jì)算需滿足以下條件：①托圈圓環(huán)是回轉(zhuǎn)體；②托圈圓環(huán)橫截面的主慣性軸之一在圓環(huán)的中心線平面內(nèi)。
目前，托圈斷面一般采用鋼板焊接的箱形(即矩形面結(jié)構(gòu)。對(duì)于這種斷面結(jié)構(gòu)，切應(yīng)力均勻分布在整個(gè)矩形斷面輪廓上，且矩形斷面結(jié)構(gòu)的抗扭剛度比開口斷面的大許多倍。根據(jù)轉(zhuǎn)爐的工作情況，設(shè)計(jì)出的托圈是一個(gè)整體鋼板焊接的箱形結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)側(cè)耳軸座、從動(dòng)側(cè)耳軸座、出鋼側(cè)托圈瓣和裝料側(cè)托圈瓣焊接而成。托圈截面上的載荷有軸向力議切向力Qx，Q，彎矩MX，MY和扭矩MK。設(shè)空心矩形截面的外側(cè)矩形的高為h寬為b內(nèi)側(cè)矩形的高為h。在計(jì)算時(shí)忽略托圈曲率的影響，其應(yīng)力有軸向拉應(yīng)力與軸向壓應(yīng)力、彎曲切應(yīng)力和扭矩M、所產(chǎn)生的切應(yīng)力彎曲正應(yīng)力。
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