潘國(guó)強(qiáng)，郭文亮，韓念琛，張 耀

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原030024；2.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原030024；3.東風(fēng)公司技術(shù)中心，湖北 武漢430058）

1 引言

首先，焦?fàn)t立火道溫度是煉焦?fàn)t重要的工藝參數(shù)。其次，立火道溫度的可靠高效檢測(cè)，在一定程度上有利于減少煉焦過程中的排放，提高煉焦過程中的能源利用率，有助于企業(yè)節(jié)能降耗。所以快速而準(zhǔn)確的獲取立火道溫度是高效煉焦的重要保證，對(duì)焦?fàn)t煉焦工作具有重要意義。目前，多數(shù)企業(yè)通過人工手持紅外測(cè)溫儀對(duì)準(zhǔn)看火孔測(cè)量獲取溫度數(shù)據(jù)。這種測(cè)量方式測(cè)量周期長(zhǎng)，工人工作環(huán)境惡劣，測(cè)溫結(jié)果易受到人為因素的影響［1］。因此需設(shè)計(jì)一種移動(dòng)測(cè)溫機(jī)器人代替人工測(cè)溫。爐蓋提升機(jī)構(gòu)作為焦?fàn)t自動(dòng)測(cè)溫機(jī)器人的關(guān)鍵功能模塊，它的工作可靠性直接影響測(cè)溫機(jī)器人的后續(xù)測(cè)溫動(dòng)作。測(cè)溫機(jī)器人的工作地點(diǎn)位于煉焦?fàn)t表面，煉焦?fàn)t的爐頂現(xiàn)有設(shè)備中包括一臺(tái)軌道式自動(dòng)裝煤車，其控制室正好位于測(cè)溫機(jī)器人測(cè)溫路徑的上方，距離爐面的理論距離250mm。測(cè)溫機(jī)器人工作過程中為了避免和裝煤車控制室產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和所搭載的功能模塊均需滿足限高要求。由于測(cè)溫機(jī)器人的整體方案選擇和實(shí)際工作環(huán)境限制，提升機(jī)構(gòu)的安裝和工作高度均存在限制［2］。經(jīng)過提升機(jī)構(gòu)初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定為如圖1所示的雙滾桶式提升機(jī)構(gòu)方案，即提升帶的一端與提升滾筒固定，另一端與電磁鐵相連。通過滾桶旋轉(zhuǎn)纏繞柔性提升帶，實(shí)現(xiàn)提升功能。該方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于柔性提升帶與提升軸滾筒之間的固定方式和柔性提升帶材料的選取。

圖1 提升機(jī)結(jié)構(gòu)三維模型Fig.1 Three-Dimensional Model of Hoist Structure

2 提升帶固定方案和材質(zhì)要求

2.1 柔性提升帶夾緊方案

如圖2所示，為柔性提升帶、提升帶壓條和緊定螺絲在提升主軸上的位置關(guān)系。壓條在緊定螺絲的作用下將提升帶的一端壓緊在通槽的內(nèi)壁，使提升帶與滾筒固定，提升機(jī)構(gòu)工作的過程中步進(jìn)電機(jī)將扭矩通過齒輪嚙合傳遞至提升軸滾筒，提升軸滾筒旋轉(zhuǎn)使得柔性提升帶在其表面纏繞，進(jìn)而使提升電磁鐵和爐蓋上下運(yùn)動(dòng)。

圖2 柔性提升帶夾緊方式Fig.2 Clamping Mode of Flexible Lifting Belt

2.2 柔性提升帶材質(zhì)要求

柔性提升帶的選擇首先滿足三個(gè)要求：（1）承受200℃以上的高溫；（2）受拉強(qiáng)度較強(qiáng)，所能承受的載荷應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個(gè)爐蓋的重量（5Kg）；（3）具有一定的柔韌性，曲率半徑小于提升機(jī)滾筒半徑（10mm）；（4）提升壽命20萬次以上。

綜合考慮成本和加工難易程度，選擇薄不銹鋼和碳纖維兩種材料的柔性提升帶。由于不銹鋼的參數(shù)易于獲得，首先以不銹鋼薄鋼帶為研究對(duì)象，分析提升過程中柔性提升帶在滾筒通槽連接處在的受力特性。

3 柔性提升帶與滾筒固定方式分析

3.1 提升滾筒與提升帶組合體預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

首先對(duì)提升滾筒和提升帶構(gòu)成組合體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和評(píng)估，通過仿真求解得出所需模態(tài)的特定固有頻率和模態(tài)振型，確定結(jié)構(gòu)部件的振動(dòng)特性［3］。進(jìn)而判斷金屬提升帶纏繞提升的可行性，預(yù)測(cè)其失效形式。

將柔性提升帶一端夾緊固定在提升軸滾筒的通槽，另外一端斷面施加60N的拉力，以此模擬單個(gè)提升軸與柔性提升帶組合體的初始工作載荷，經(jīng)分析計(jì)算得到提升帶前六階的模態(tài)振型，如圖3所示：提升帶前六階的模態(tài)振型大多為扭轉(zhuǎn)振型，在實(shí)際工作過程中提升帶容易產(chǎn)生應(yīng)力集中或受到剪切力的作用導(dǎo)致邊界兩端連接處的受力不均，有發(fā)生斷裂或者撕裂的可能。為驗(yàn)證上述仿真分析結(jié)果，對(duì)于不銹鋼帶的斷裂形式進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 提升帶前六階的模態(tài)振型Fig.3 The Mode Shape of the First Six Orders of the Lifting Band

3.2 提升滾筒與提升帶夾緊處?kù)o力學(xué)分析

柔性提升帶和提升滾筒通槽內(nèi)的固定連接主要受到壓條在緊定螺絲預(yù)緊力作用下的夾緊力。其中壓緊力主要取決于提升軸上的緊定螺絲，受限于提升軸的軸徑和通槽的尺寸，緊定螺絲選用的型號(hào)為M3，經(jīng)過計(jì)算其能提供的最大預(yù)緊力為603.77N。

利用有限元軟件分析在緊定螺絲作用下柔性提升帶在滾筒通槽內(nèi)被壓條夾緊的受力情況，如圖4所示，將在三維軟件里建好的模型導(dǎo)入有限元軟件中并劃分網(wǎng)格，并在接觸區(qū)域繪制4條路徑用于準(zhǔn)確反映柔性提升帶在夾緊處的受力情況。

圖4 提升帶被夾緊部分提取應(yīng)力數(shù)值路徑示意圖Fig.4 Extraction of Numerical Path Diagram from Clamped Part of Lifting Belt

假設(shè)緊定螺絲的預(yù)緊力為自身所能承受的最大預(yù)緊力，每個(gè)緊定螺絲施加在壓條上的力為603.77N。定義提升帶與壓條、提升帶與滾筒通槽內(nèi)壁、緊定螺絲尖部和壓條表面的接觸為摩擦接觸，接觸面的摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.1［4］。經(jīng)過仿真計(jì)算，得到柔性提升帶與壓條接觸部分的壓力分布云圖，如圖5所示。

圖5 提升帶被壓緊處壓應(yīng)力分布Fig.5 Distribution of Compressive Stress in the Compressed Zone of Lifting Belt

根據(jù)四條路徑上的等效應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制出路徑上的應(yīng)力分布數(shù)圖，如圖6所示：在四條曲線的波峰位置是緊定螺絲在壓條上施加預(yù)應(yīng)力的位置，由此可見提升帶在壓條下受力不均勻，在開始承受工作載荷提升時(shí)，連接處可能會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致提升帶斷開或撕裂。

圖6 路徑應(yīng)力分布折線圖Fig.6 Path Stress Distribution Broken Line Diagram

4 兩種材質(zhì)的提升帶對(duì)照試驗(yàn)

4.1 提升機(jī)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)

根據(jù)提升機(jī)實(shí)際使用需求和工作載荷大小，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟趯?duì)提升機(jī)的整體進(jìn)行疲勞試驗(yàn)、對(duì)提升帶與提升軸連接處進(jìn)行抗斷裂疲勞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用兩種材質(zhì)柔性提升帶，分別是0.05mm厚的鋼帶和3K碳纖維編織帶。

首先根據(jù)提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙，試制兩臺(tái)提升機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。按照設(shè)計(jì)方案將電磁鐵和柔性提升帶組合安裝完成，搭設(shè)簡(jiǎn)易支架，提升機(jī)工作載荷使用與焦?fàn)t看火孔規(guī)格相同的爐蓋代替，配合爐蓋提升控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示，同時(shí)測(cè)試兩種柔性提升帶的工作情況。

圖7 兩種材質(zhì)提升帶試驗(yàn)Fig.7 Two Kinds of Material Lifting Belt Test

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，0.05mm厚的不銹鋼材質(zhì)的提升帶，在連續(xù)工作7000多個(gè)提升周期之后，提升帶在與滾筒通槽夾緊處發(fā)生斷裂，如圖8（a）所示；由于提升帶在提升軸的通槽與壓條之間受到的摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于提升載荷，所以提升帶并未從滾筒通槽內(nèi)滑出，提升機(jī)構(gòu)的失效原因與之前理論分析得出的結(jié)論基本一致，即若柔性提升帶選用金屬材質(zhì)的薄鋼帶，在提升的過程中會(huì)因?yàn)殇搸c滾筒連接根部產(chǎn)生應(yīng)力集中、受力不均勻以及鋼帶的扭轉(zhuǎn)，使得鋼帶在承受的工作載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力的時(shí)候突然發(fā)生斷裂。另一組試驗(yàn)中，提升帶選用碳纖維材質(zhì)，由于提升帶是采用碳纖維編織而成，受拉強(qiáng)度經(jīng)過測(cè)試后完全滿足提升機(jī)構(gòu)工作載荷要求。使用碳纖維提升帶的提升機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)運(yùn)行5萬多個(gè)提升周期之后，如圖10（b）所示，碳纖維帶的表面開始起毛。試驗(yàn)運(yùn)行10萬多個(gè)循環(huán)時(shí)，碳纖維提升帶的邊緣處出現(xiàn)部分碳纖維組織斷裂的現(xiàn)象，但提升機(jī)構(gòu)仍然可以正常工作。

圖8 提升帶實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental Results of Lifting Band

4.3 結(jié)果分析

為了進(jìn)一步研究碳纖維編織帶作為滾筒式提升機(jī)構(gòu)的柔性提升帶時(shí)碳纖維表面起毛和編織結(jié)構(gòu)變松散的原因，便于對(duì)問題進(jìn)行后續(xù)處理。使用掃描電鏡對(duì)碳纖維表面和編織結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。首先研究碳纖維絲之間的聯(lián)系情況，如圖9所示，原始的碳纖維編織帶邊緣的圖像，各個(gè)纖維絲之間不能相互附著，結(jié)構(gòu)較為松散。因此碳纖維表面的單根纖維絲在纏繞提升的過程容易斷裂，導(dǎo)致碳纖維表面出現(xiàn)起毛現(xiàn)象［5］［6］。

圖9 原始碳纖維帶掃描電鏡影像Fig.9 Scanning Electron Microscopic Imaging of Carbon Fiber Tape

碳纖維編織帶是由若干根碳纖維絲組成的碳纖維束編織而成，如圖10所示，各個(gè)編織束之間的結(jié)構(gòu)松散且存在較大的間隙，由此造成了在提升過程中提升帶編織變形松散的情況。

圖10 碳纖維束編織之間的電鏡影像Fig.10 Electron Microscopic Images of Braided Carbon Fiber Bundles

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和掃描電鏡影像分析，碳纖維帶之所以在提升過程中出現(xiàn)表面起毛和編織紋理扭曲變形，是因?yàn)樵嫉奶祭w維編織束內(nèi)纖維絲之間結(jié)構(gòu)松散，纖維束之間編織間隙較大，雖然表面磨損不會(huì)使得提升帶突然斷裂，但是表面磨損作為一種潛在的安全隱患，影響提升機(jī)的提升安全性和可靠性。解決碳纖維絲之間松散和纖維束之間的間隙問題是提高碳纖維作為提升帶可靠性的關(guān)鍵［7］。

為了解決碳纖維帶結(jié)構(gòu)松散致使表面耐磨性較差的問題，對(duì)原始的碳纖維帶表面進(jìn)行包覆處理，在不影響其柔韌性的同時(shí)，提高表面的耐磨性，使碳纖維編織束之間加強(qiáng)固定［8］。選擇使用雙組分水性聚氨酯對(duì)碳纖維表面進(jìn)行包覆［9］。首先將調(diào)配好的液態(tài)聚氨酯溶液均勻的涂抹于較大面積的碳纖維編織帶的正反兩面，放置在室內(nèi)使其自然晾干，待水性聚氨酯固化之后利用掃描電鏡對(duì)表面處理之后的碳纖維進(jìn)行掃描，掃描結(jié)果如圖11所示，碳纖維束編織紋理間隙被聚氨酯所填充，碳纖維絲之間被聚氨酯相互粘連，編織纖維斷面處纖維絲未散開，碳纖維表面被整體包裹，使得碳纖維帶與聚氨酯成為一個(gè)整體，提高了碳纖維表面的耐磨性同時(shí)也保持了碳纖維布的柔韌性。

圖11 處理之后碳纖維的掃描電鏡影像Fig.11 Scanning Electron Microscopic Image of Carbon Fiber After Treatment

最后將經(jīng)過聚氨酯包覆處理的碳纖維編織帶作為滾筒式提升機(jī)構(gòu)的柔性提升帶，安裝固定在提升機(jī)構(gòu)上，經(jīng)過20余萬個(gè)提升循環(huán)，碳纖維表面只出現(xiàn)輕微磨損。碳纖維帶的邊緣因?yàn)榘惭b前裁剪導(dǎo)致少量纖維絲裸露，經(jīng)過提升機(jī)構(gòu)多次的循環(huán)動(dòng)作，提升帶邊緣出現(xiàn)少量毛邊，但未影響提升機(jī)構(gòu)動(dòng)作。綜上所述，使用表面處理之后的碳纖維材料充當(dāng)雙滾桶式提升機(jī)構(gòu)的柔性提升帶滿足實(shí)際工作要求。如圖12所示，為提升機(jī)構(gòu)在測(cè)溫機(jī)器人上的安裝位置。

圖12 提升機(jī)構(gòu)位置Fig.12 Position of Lifting Mechanism

5 總結(jié)

針對(duì)焦?fàn)t測(cè)溫機(jī)器人的功能需求，設(shè)計(jì)了焦?fàn)t爐蓋提升機(jī)構(gòu)，通過有限元分析不銹鋼材質(zhì)的柔性提升帶在與滾筒連接處的受力特性，驗(yàn)證固定方式的可行性。

根據(jù)柔性提升帶在提升軸滾筒連接處的受力特性分析結(jié)果，選用普通碳纖維材質(zhì)的提升帶進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)碳纖維提升帶基本上滿足提升需求，但存在表面耐磨性較差，組織結(jié)構(gòu)變散的問題。

使用掃描電鏡對(duì)普通碳纖維編織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，分析其作為柔性提升帶耐磨性差和結(jié)果松散的原因。

對(duì)碳纖維表面使用水性聚氨酯進(jìn)行包覆處理，使用掃描電鏡觀察包覆之后碳纖維編織結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明各纖維絲之間的縫隙被聚氨酯填充，處理后的碳纖維編織結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體，對(duì)處理后的碳纖維帶進(jìn)行提升試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明雙滾桶式提升機(jī)構(gòu)使用表面包覆處理的碳纖維提升帶工作10萬多次次之后，碳纖維表面僅出現(xiàn)輕微的磨損，編織結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，完全滿足提升需求。提升機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)方案可行。