1、Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY为了实现无氧化浇注，在钢包和中间罐之间设有长水口。长水口机械手是连铸生产过程中保证更换水口操作稳定性和可靠性的重要设备，位于钢包和中间罐之间，一般安装在中间罐车上，也有安装在浇钢平台上的。其作用是将长水口的上端安装在大包钢水罐底部滑板处，下端伸入中间罐钢水内，钢水通过长水口注入中间罐，减少中间包钢水温降，合理控制钢水过热度，并用氩气密封长水口和大包滑动水口之间的间隙，实现保护浇注，防止浇注过程中钢水二次氧化、钢流飞溅及敞开浇注的钢水卷渣
2、问题，从而提高铸坯质量1-4。由于浇钢是在高温环境下进行，且钢包和中间罐之间空间比较狭窄，在浇钢过程中，要求长水口上部与钢包下水口要保持一定的顶紧力，更换长水口须方便、快捷，因此，长水口机械手装置应具有使长水口升降、倾翻、移动、回转和将长水口紧紧地顶在钢包滑动水口下水口上的功能。长水口机械手装置多为手动操作加配重的简单杠杠机构其主要性能参数是由长水口装卸及浇钢操作条件决定的，不同的操作条件会有所不同，通常设计长水口机械手装置须考虑升降行程、前后移动行程、倾翻角度、旋转角度、顶紧力及随动功能等主要性能参数。早期的长水口机械手多为手动操作加配重的简单杠杆机构，随着技术的发展，现在的长水口机械手装置
3、是以电动、气动或液压动力为主，手动操作为辅的机构，有的钢铁公司长水口机械手装置达到了自动控制水平5-7。某钢厂板坯连铸机长水口机械手装置是 2008年由国外著名设计厂商提供，设计之初水口更换*收稿日期：2022-06-02作者简介：余进涛（1982-），男，湖北天门人，工程师，主要从事连铸设备设计工作。Feb.2023Vol.52.No.1（Sum 298）2023 年 2 月第 52 卷第 1 期（总第 298 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY钢包长水口机械手研制及应用*余进涛（中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710018）摘要：钢包长水口机械手在水口增重和改变开浇方式
4、后，支撑轴多次发生断轴，针对该问题对长水口机械手进行了受力分析，进行了轴强度校验、油缸、轴承选型等设计。新设计的长水口机械手工作平稳无断轴现象，提高了换水口过程中生产操作的可靠性和稳定性。关键词：板坯连铸；钢包；长水口；机械手；轴强度；选型设计中图分类号：TD451文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）01-0152-05Development and Application of Mechanical Arm for Long Nozzle of Steel LadleYU Jin-tao(China National Heavy Machinery Research Ins
5、titute Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710018,China)ABSTRACT：The supporting roller of mechanical arm for long nozzle of steel ladle breaks for many times,therefore,the forceanalysis of mechanical arm of long nozzle was done,shaft strength calibration,the design of selection of oil cylinder,bearing and so onwe
6、re carried out.The new designed mechanical arm of long nozzle operates stable,no shaft broken was found,the reliability and stabilityof production operation of long nozzle was increased.KEY WORDS：slab continuous casting;steel ladle;long nozzle;mechanical arm;shaft strength;selection design152张杰，等：膏体
7、充填技术在某矿空区治理当中的应用采用高位安装，随着生产过程对铸坯质量要求的提高以及产量的显著提高，以往的开浇方式和水口尺寸已无法满足生产要求。因此生产过程中对开浇方式进行了优化，采用浸入式开浇方式，并根据高拉速生产要求增大了长水口的内径同时也增加了长水口的重量，但长水口并没有重新设计。自 2019 年以来，长水口机械手在更换水口过程中多次发生断轴现象，无法完成长水口的安装，威胁人身安全，影响正常生产，另外由于长水口机械手存在缺陷，使长水口与钢包下水口不能密切接触，在浇注过程中长水口晃动等现象，由于钢水注流作用，在长水口与钢包下水口缝隙间形成负压，吸入空气导致钢水二次氧化和增氮，影响铸坯质量。为
8、解决此问题，需要根据长水口使用工况和承载能力对其进行重新设计。1原因分析中包车设置在钢包回转台下方，结晶器上方，板坯连铸机长水口机械手位于中包车车体上，由生产工人操作。钢包坐在回转台上，开浇时机械手向上抬至最高位，托圈托起长水口与钢包底部滑板下水口对准，打开滑板开浇，在钢包滑板打开开浇后，机械手受液压缸向上的作用力，托圈始终托起长水口顶住钢包滑板处下水口，而钢包随着回转台的下降，钢包又始终对机械手托圈施加垂直向下的力，在钢包下降过程中机械手液压缸内压力油从溢流阀溢流，这样就能保证长水口上端面始终与钢包底部滑板下水口端面紧密贴紧，减少浇注过程中此处的增氮及钢水二次氧化。其结构示意图见图 1，该装
9、置由长水口托圈接口 1、夹持架 2、长臂 3、支架 4、升降液压缸 5、平衡架 6、曲柄 7、轴 8、连接架 9、减速机 10、支撑轴 11 和支撑架 12 等组成。为了防止钢包滑动水口的下水口与长水口结合部位漏气甚至漏钢，必须使下水口与长水口之间保持一定的结合力，也就是长水口机械手具有使长水口在浇钢过程中始终向上顶紧下水口的顶紧力，顶紧力的大小与下水口和长水口之间连接处密封结构形式及密封垫材质有关，可以把最小密封压力再乘以安全系数作为顶紧力，也可以根据以往设计经验选取。顶紧力确定后，先根据长水口机械手装置的结构尺寸、重量及长水口重量等参数，按照力和力矩平衡原理计算出顶升液压缸的参数，还须校核
10、长水口机械手装置上轴等薄弱件的强度7。已知顶紧反力及长水口自重产生的力F=6 500N，轴 8 直径 d1=80 mm，材料为 45#，支撑轴 11直径 d2=80 mm，材料为 35#，水平状态长水口托圈456897101112123MAX19MAX191 长水口托圈接口；2 夹持架；3 长臂；4 支架；5 升降液压缸；6 平衡架；7 曲柄；8 轴；9 连接架；10 减速机；11 支撑轴；12 支撑架图 1长水口机械手结构示意图Fig.1Structure schematic diagram of mechanical arm of long nozzle余进涛：钢包长水口机械手研制及应用1
11、53Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY中心距旋转轴支点 L1=2 900 mm，旋转轴至支撑轴L2=600 mm，水平状态液压缸相对旋转轴支点力臂L3=320 mm，托圈在最高工作位时液压缸比水平位置时倾斜 2.82，长水口机械手臂抬至最高工作位时相对水平位的倾角是 19，长水口机械手向下最低位是非工作状态，不予考虑。1.1轴受力分析顶紧力反力、长水口自重、长水口机械手自重对轴 8 产生力矩，应用 solidworks 软件对长水口机械手中轴 8 以上部分（包括长水口托
12、圈接口 1、夹持架 2、长臂 3、支架 4、升降液压缸 5、平衡架 6、曲柄 7、减速机 10 等）三维建模，计算出 G重=8 176.27 N，质心距轴中心 L4=82.94 mm，托圈 1 在水平位置时对轴 8 产生力矩最大，力矩过大，产生的应力超过了轴 8 的屈服强度而出现断轴现象，其受力简图如图 2。1.2支撑轴受力分析支撑轴受力按长水口机械手长臂与连接架夹角不同可分为两种极限工况：1）机械手长臂与连接架夹角为 0时，如图 1所示，此时长水口顶紧反力、长水口自重、长水口机械手自重对支撑轴力矩产生的最大应力全集中在一点，应力最大；2）机械手长臂与连接架夹角为 90时，如图 3所示，此时长
13、水口顶紧反力、长水口自重对支撑轴力矩产生的最大应力和长水口机械手自重对支撑轴力矩产生的最大应力在轴平面不重合，轴平面点的应力不是最大。在机械手长臂与连接架夹角为 0时，工况又可分为托圈在水平位置时和托圈在最高工作位置时，显然托圈在水平位置时对支撑轴力矩产生的应力要大。在机械手长臂与连接架夹角为 0，托圈在水平位置时应用 solidworks 软件对长水口机械手三维建模，计算出 G重=9 058.20 N，质心距支撑轴中心 L5=642.89 mm，顶紧力反力、长水口自重、长水口机械手自重对支撑轴产生力矩，力矩过大，产生应力超过支撑轴的屈服强度而出现断轴现象，其受力简图如图 4。2技术改造2.1
14、油缸选型托圈在水平位置时，设备自重忽略不计，其受力简图如图 5。油缸力 F液=FL1L3=65002.93.32=58.91 kN图 2轴 8 受力简图Fig.2Force diagram of shaft 8F-顶紧反力及长水口自重；G重-长水口机械手轴 8以上部分自重L1=2 900L4=82.94FG重轴图 3长水口机械手结构示意图(夹角为 90)Fig.3Structure schematic diagram of mechanical arm of long nozzle(the included angel is 90)1 长水口托圈接口；2 夹持架；3 长臂；4 支撑架；5 支撑
15、轴；6 连接架；7 支架；8 平衡架；9 减速机；10 曲柄10987654321图 4支撑轴受力简图Fig.4Force diagram of supporting shaftF-顶紧反力及长水口自重；G1重-长水口机械手自重支撑轴G1重FL1+L2=3 500L3=642.89154张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用托圈在最高工作位置时，设备自重忽略不计，其受力简图如图 6。油缸力 F液=Fcos19L1L3sin68.18=65000.94552.93.320.9272=60.07 kN一般长水口机械手压力为（79）MPa，根据JB/ZQ4181-2006，选取 100/70
16、-200 油缸即可8。2.2轴强度校核由图 2 可知，托圈 1 在水平位置时，轴 8 受力产生力矩最大，根据力矩平衡公式：轴力矩 M=FL1+G重L4=65002.9+8176.30.083=19 528.1 N m轴的抗弯截面系数 W=d332=3.140.080.080.0832=5.02410-5m3轴最大应力 max=MW=19528.15.02410-5=388.7106N/m3=388.7 MPa分别选取轴材料为 45#、42CrMo，材料性能8对比见如表 1。根据机械设计手册中载荷确定精确，应力计算准确的许用安全系数一般取 1.31.59，这里取许用安全系数为 1.5，原设计不能满足设计要求，若轴材料改为 42CrMo，完全满足设计安全要求。2.3轴轴承选型根据长水口机械手装置中轴的工况来看，此处有较大的倾翻力矩，不仅承受径向载荷，还同时承受较大的轴向载荷，选用背靠背安装的两个角接触球轴承 7216AC（140 80 26）能满足这一要求。2.4支撑轴强度校核由图 4 可知，在机械手长臂与连接架夹角为0，托圈在水平位置时，支撑轴受力产生力矩最大，根据力矩平衡公式：支撑轴力