趙自強(qiáng) 惠 展 付光勇 趙 博

(中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司 陜西西安710201)

直推式液壓泥炮國(guó)產(chǎn)化研究與分析

趙自強(qiáng)①惠 展 付光勇 趙 博

(中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司 陜西西安710201)

某鋼廠4747m3高爐使用的一種直推式液壓泥炮，其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用了回轉(zhuǎn)油缸一端固定在機(jī)架上，另一端直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的四桿機(jī)構(gòu)形式，這一類型液壓泥炮減少了桿機(jī)構(gòu)的數(shù)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修維護(hù)方便，目前主要依靠從國(guó)外進(jìn)口。根據(jù)泥炮設(shè)計(jì)原則結(jié)合該型泥炮的數(shù)學(xué)模型，給出了桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，提出了設(shè)計(jì)方案。該方案合理可行，對(duì)此類型泥炮的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造具有指導(dǎo)意義。

煉鐵高爐 液壓泥炮 四桿機(jī)構(gòu) 方案設(shè)計(jì)

1 前言

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造的液壓泥炮其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均采用了六桿機(jī)構(gòu)的形式。某鋼廠新1號(hào)4747m3高爐使用的液壓泥炮(以下簡(jiǎn)稱泥炮)其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用了回轉(zhuǎn)油缸一端固定在機(jī)架上，另一端直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的四桿機(jī)構(gòu)形式[1]。這種設(shè)計(jì)減少了桿機(jī)構(gòu)的數(shù)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于組裝；整機(jī)設(shè)備重量減輕，制造成本相對(duì)降低；占地面積小，方便用戶檢修維護(hù)。目前該類設(shè)備主要依靠進(jìn)口，而進(jìn)口設(shè)備價(jià)格高，訂貨手續(xù)繁雜、交貨周期長(zhǎng)，為了解決這些問(wèn)題實(shí)現(xiàn)該設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，根據(jù)鋼廠提供的高爐資料數(shù)據(jù)，給出了設(shè)計(jì)方案。

2 設(shè)備組成及機(jī)構(gòu)分析

如圖1所示，該泥炮由打泥機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、調(diào)整桿、斜底座、液壓系統(tǒng)等組成。將泥炮機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖2所示平面桿系。該桿系由兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)疊加而成：其中用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)泥炮回轉(zhuǎn)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)由：回轉(zhuǎn)油缸DE(油缸缸體、活塞桿最大行程時(shí)長(zhǎng)度為DE′)、旋臂AE、機(jī)架AD組成；用于實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)過(guò)程中打泥機(jī)構(gòu)的姿態(tài)控制，確定炮嘴軌跡的四桿機(jī)構(gòu)由：打泥機(jī)構(gòu)LK、旋臂AJ、調(diào)整桿GH、機(jī)架AG組成。其中點(diǎn)A、D、G為固定鉸接點(diǎn)。E、H、J為活動(dòng)鉸接點(diǎn)。

圖1 TMT 直推式液壓泥炮

圖2 泥炮的簡(jiǎn)化平面桿系

3 泥炮方案設(shè)計(jì)中的總體思路及注意事項(xiàng)

炮嘴軌跡和壓炮力是泥炮正常工作的重要參數(shù)，泥炮在設(shè)計(jì)時(shí)各桿件尺寸的選取，應(yīng)保證炮嘴軌和壓炮力合理并滿足以下要求：

1)桿機(jī)構(gòu)自由度唯一且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不出現(xiàn)死點(diǎn)；

2)炮嘴在接近鐵口的過(guò)程中，軌跡直線段(一般取靠近鐵口0mm～500mm段考慮)要明顯，避免與鐵口框和鐵溝壁干涉。

3)泥炮在壓炮狀態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)提供的壓炮力大于打泥反力20kN～30kN；旋轉(zhuǎn)油缸的活塞桿最大受力要小，以減少油缸的直徑。

4)泥炮在待機(jī)位置時(shí)盡量使K′點(diǎn)遠(yuǎn)離出鐵口。

5)泥炮回轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)臂與炮身的夾角(圖3中的β角)大于50°，以保證旋臂與炮身不干涉。

6)泥炮在待機(jī)位置時(shí)，油缸相對(duì)于A點(diǎn)(轉(zhuǎn)臂鉸接點(diǎn))的力矩要大，保證油缸外形尺寸與旋臂不干涉；油缸在3MPa左右的工作壓力下，泥炮回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠啟動(dòng)。

7)回轉(zhuǎn)油缸的行程要小，以減少油缸的長(zhǎng)度，避免在轉(zhuǎn)臂最大轉(zhuǎn)角時(shí)回轉(zhuǎn)油缸端部和炮身相碰。

8)桿機(jī)構(gòu)的輪廓尺寸要小，以避免泥炮的基礎(chǔ)與高爐的水箱相碰。

4 油缸活塞桿的受力分析及選取

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用活塞式油缸為推動(dòng)力，泥炮壓炮時(shí)壓炮反力通過(guò)有關(guān)的桿件和回轉(zhuǎn)油缸的活塞桿，傳到泥炮基礎(chǔ)上，此時(shí)回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的受力最大。泥泡在打泥過(guò)程中，雖然增加了對(duì)炮身的打泥反力，但這時(shí)泥套與炮嘴間的壓緊力以與打泥反力相同的數(shù)量減少，所以，活塞桿的受力在打泥前和打泥過(guò)程中是不變的。

如忽略桿件銷軸的摩擦阻力，壓炮時(shí)活塞桿的受力P1可由式(1)求出(圖3)：

P1=P×L×cosδ×sinβ/(R×sinθ+M×cosθ)

(1)

式中P—最大打泥力；L—轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度；δ—壓炮時(shí)炮身與水平面所成的傾角；β—轉(zhuǎn)臂與炮身的夾角；R—轉(zhuǎn)臂與回轉(zhuǎn)油缸的鉸接點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)軸的距離；

M—回轉(zhuǎn)油缸的鉸接點(diǎn)至旋臂的距離；

θ—回轉(zhuǎn)油缸與旋臂之間的位置角。

圖3 旋轉(zhuǎn)桿機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

桿機(jī)構(gòu)中各桿件尺寸參數(shù)的大小，對(duì)油缸活塞行程、活塞桿最大受力以及桿機(jī)構(gòu)的輪廓尺寸都有較大的影響。液壓系統(tǒng)壓力確定后，打泥力、炮身傾角、轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度可視為定值。當(dāng)給定各桿件尺寸參數(shù)時(shí)，可由式(1)計(jì)算出活塞桿的最大受力。

實(shí)際應(yīng)用中要求P1提供的壓炮力大于打泥力20kN～30kN為合理。

以6000kN打泥力泥炮為例，給定參數(shù)

P=6000kN，L=3860mm，δ=10°，β=60°，R=3000mm，M=250mm，θ=8.5°。

可得活塞桿的受力P1，并選取油缸缸徑φ320mm，活塞桿直徑φ220mm。[2]

5 回轉(zhuǎn)油缸行程和轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角γ的關(guān)系

圖4 轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角與回轉(zhuǎn)油缸行程關(guān)系

如圖4所示，泥炮在壓炮狀態(tài)時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸與轉(zhuǎn)臂的鉸接點(diǎn)為E′，當(dāng)旋臂轉(zhuǎn)過(guò)γ角后，E′點(diǎn)移至E位置,活塞桿行程為：

(2)

其中

(3)

由(3)式導(dǎo)出：

(4)

當(dāng)液壓泥炮的尺寸參數(shù)一定時(shí)，利用(2)、(4)兩式可求出轉(zhuǎn)臂在任意轉(zhuǎn)角時(shí)，旋轉(zhuǎn)油缸的行程。

由W=1700mm，e=751mm，Z=3510mm，T=438mm。

求得α=123.8°

按公式計(jì)算出的轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角和油缸行程的關(guān)系如表1，轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)時(shí)角速度的變化情況如圖5。

表1 轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角與油缸行程關(guān)系

從表1和圖5可看出：

圖5 轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)時(shí)的角速度關(guān)系圖

轉(zhuǎn)臂從非堵口位置向堵口位置旋轉(zhuǎn)角度選取，可以看出設(shè)備啟動(dòng)時(shí)角速度很大，α轉(zhuǎn)過(guò)的范圍靠近堵口位置時(shí)，角速度大約降到最大值的一半，這有利于轉(zhuǎn)臂較平穩(wěn)的定位。同時(shí)逆向旋轉(zhuǎn)退炮到待機(jī)位時(shí)的角速度較大，油缸在結(jié)構(gòu)上要考慮緩沖措施。

6 炮嘴軌跡的確定[3]

其中a=2AJ×HJsinαb=2AJ×HJcosα-2HJ×AGc=GH2-(AJ2+HJ2+AG2)+2AJ×AGcosα

對(duì)矢量三角形AJK列矢量方程

由此可得炮嘴K點(diǎn)坐標(biāo)表達(dá)式為:

(5)

式中ψ=θ1+∠HJL,∠HJL由結(jié)構(gòu)尺寸決定，為常量,α在0°～250°間變化。

給定參數(shù)后由(5)式利用計(jì)算機(jī)可以繪制出炮嘴運(yùn)動(dòng)軌跡。本方案選定參數(shù)如下：

AJ=3860mm；AG=780mm；GH=3518.7mm；HJ=1234.4mm；JK=1925mm；∠HJL=30°；α=56.9°。

得到炮嘴軌跡，如圖6。

圖6 炮嘴K點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的軌跡圖

7 部件設(shè)計(jì)

該型泥炮打泥機(jī)構(gòu)、調(diào)整桿工作原理和工藝要求與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的KD、PW、YPF、YPE、DDS型泥炮采用的相同，國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)這兩部分可直接采用。

斜底座設(shè)計(jì)：斜底座的主要作用是把泥炮炮嘴平面運(yùn)行軌跡轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)于出鐵口基準(zhǔn)點(diǎn)的空間軌跡。其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定斜底座上連接面，根據(jù)高爐出鐵場(chǎng)布置情況該平面與鐵口基準(zhǔn)點(diǎn)及基礎(chǔ)面具有確定的傾斜角度和高度。

液壓系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)油缸和打泥油缸的控制。具有以下功能和特點(diǎn)：

回轉(zhuǎn)油缸回路中應(yīng)有一定背壓，防止液壓泥炮在回路過(guò)程中下坡時(shí)發(fā)生“俯沖”或動(dòng)作過(guò)快。

回轉(zhuǎn)油缸在液壓泥炮前進(jìn)過(guò)程中，由于要求速度快，所需流量較大，為了節(jié)省主泵能力，該回路采用差動(dòng)回路，同時(shí)泵源還要有一臺(tái)備用泵；在悶炮過(guò)程中，回轉(zhuǎn)油缸的液壓回路要有保壓功能，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)壓；對(duì)泵、閥都采用了更適合冶金行業(yè)液壓系統(tǒng)的力士樂(lè)系列產(chǎn)品。

潤(rùn)滑方式：采用干油自潤(rùn)滑形式系統(tǒng)壓力設(shè)定為40MPa，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量自動(dòng)加油和潤(rùn)滑點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并設(shè)有油包自動(dòng)補(bǔ)油功能。

8 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)泥炮設(shè)計(jì)的原則及注意事項(xiàng)結(jié)合泥炮(回轉(zhuǎn)油缸直接驅(qū)動(dòng)式液壓泥炮)的數(shù)學(xué)模型，提出了設(shè)計(jì)方案。該方案合理可行對(duì)此類型泥炮的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造具有指導(dǎo)意義。

[1]劉建宏等.液壓泥炮的技術(shù)進(jìn)步[J].冶金設(shè)備，2012(4).

[2]成大先等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3]李朔東等.液壓泥炮旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析[J].冶金設(shè)備,2010(5).

Localization Research and Analysis of a Hydraulic Clay Gun With Direct Push Forward

Zhao Ziqiang Hui Zhan Fu Guangyong Zhao Bo

(Sinosteel Xi′an Machinery Co., Ltd.，Xi′an 710201)

A steel company, the 4747m3blast furnace use a hydraulic clay gun with direct push forward. The slewing mechanism adopts four bar linkage that the rotary cylinder with one end fixed on the frame, the other end direct drive jib rotating. At present the type of hydraulic clay gun can′t be manufactured in domestic,mainly rely on import from abroad, and not imported equipment price is high and long cycle. In order to realize the localization of the equipment,the article combine the clay gun design principles with the mathematical model, list the mechanism design parameters and put forward the design scheme. The scheme is reasonable and feasible, has guiding significance for localization the equipment design and manufacture.

Blast furnace Hydraulic clay gun Four-bar linkage Scheme

趙自強(qiáng)，男，1981年出生，畢業(yè)于陜西理工學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)士，工程師，主要從事煉鐵高爐爐前設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究

TF321.5

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.03.008

2015-01-19)