一种新型高炉布料器及其运动和应力分析

林文强　郭爱波

东北大学,沈阳,110819

一种新型高炉布料器及其运动和应力分析

林文强郭爱波

东北大学,沈阳,110819

针对无料钟炉顶布料器结构复杂、占用空间大的缺点,设计了一种基于空间连杆机构的布料器。对布料器结构进行合理简化并建立数学模型，采用ADAMS进行了特定轨迹下的运动仿真，联合MATLAB进行非线性拟合,求出摆动液压缸的控制方程。所研究的布料器工作环境温度为200～600 ℃且长期承受循环冲击载荷作用,其最常见的失效形式是疲劳失效。基于有限元分析软件ANSYS对布料器危险零件进行强度计算并对其各节点按Goodman-Smith疲劳极限图进行疲劳评定。分析表明：该布料器最大布料角度为40°,布料相对误差小于0.05%，其结构强度满足无限疲劳寿命要求。

布料器；空间连杆机构;ADAMS仿真；有限元分析

0　引言

我国生铁产量占据世界生铁产量的95%左右,但是生产水平与先进国家相比还是有差距。问题主要集中于高炉炉顶设备使用率、炉顶寿命和环境保护、资源的合理利用等几个方面[1]。布料器是将原料及固体燃料按要求分布于竖窑横断面上的布料装置,它是高炉的重要部件,保证布料器安全可靠地运行是提高钢铁生产水平的基本前提。布料器实现均匀布料需满足以下三个条件:一是结构简单,不存在运动死点;二是强度满足无限疲劳寿命要求,运行可靠;三是可实现特定轨迹下的均匀布料,易于控制。对布料器进行仿真分析主要采用三种方法：利用对偶理论，通过坐标转换矩阵，列出非线性方程组求解；软件仿真得到输入输出的数值解；优化法求解近似轨迹,这涉及初值选取,目标函数性态及寻优方法[2]。目前,布料器的主要形式为无料钟炉顶布料器[3]，常用的无料钟布料器型号有PW型、BT型[4]、BG型[5]和万向节、HG型[6]等。这些布料器通常采用齿轮传动来实现各种布料形式,结构复杂且占用空间大。

笔者所设计的新型高炉布料器采用空间连杆机构实现布料功能,与常规布料器相比具有结构简单、易于维护、运动可靠、布料范围更大、精度更高、占用空间小的优势。

1　布料器结构及模型简化

1.1布料器传动系统结构及工作原理

新型布料器结构示意图见图1,两个驱动系统分别沿两个方向驱动活动料斗21使之产生摆动。通过控制摆动液压缸Ⅱ和摆动液压缸Ⅰ的摆角可实现布料器以多种形式布料。一个方向的驱动系统包括水平布置的摆动液压缸Ⅱ、短杆Ⅰ、短杆Ⅱ、摆环12和用于将摆环的角位移传递给活动料斗的前连杆2和后连杆15,该方向的驱动是围绕短杆Ⅰ和轴承Ⅰ所形成的第一摆动轴线展开的。摆动液压缸Ⅱ输出的扭矩通过短杆Ⅱ驱动摆环摆动，摆环的摆动通过连杆传递给活动料斗，实现活动料斗沿水平轴前后方向的摆动。另一个方向的驱动系统包括摆动液压缸Ⅰ、中间杆18、右摆动杆19和左摆动杆3，其中右摆动杆与中间杆铰接，左摆动杆与围绕轴承Ⅲ摆动的短杆Ⅲ铰接,该方向的驱动是围绕活动料斗上端边缘前侧与连杆连接的销轴Ⅱ所形成的第二摆动轴线展开的,摆动液压缸Ⅰ的输出扭矩驱动中间杆摆动,中间杆的摆动通过与其铰接的右摆动杆转换成上下直动,从而驱动活动料斗实现沿水平轴左右方向的摆动。活动料斗两个方向摆动的合成运动实现该布料装置的均匀布料动作。

1.销轴Ⅱ　2.前连杆　3.左摆动杆　4.短杆Ⅲ　5.轴承Ⅲ 6.销轴Ⅰ　7.轴承Ⅱ　8.摆动液压缸Ⅱ　9.短杆Ⅱ 10.固定装料筒　11.销轴Ⅲ　12.摆环　13.短杆Ⅰ14.轴承Ⅰ　15.后连杆　16.轴承Ⅳ　17.摆动液压缸Ⅰ18.中间杆　19.右摆动杆　20.连接块　21.活动料斗图1　布料器结构示意图

1.2布料器模型简化及自由度计算

图2　布料器连杆机构模型

经过对布料器机械结构的分析，可建立布料器连杆机构模型,见图2。为了简化分析，将冗余部分和液压缸部分去除,之后通过主轴转角和液压缸的转角关系可间接建立溜槽摆角和液压缸转角的关系。其中1点处摆动液压缸Ⅱ通过轴承完成转动，通过轴承座固定；2点连接中间杆和摆动液压缸Ⅰ，是通过轴承座固定而形成的转动中心;3点为前连杆和摆环通过销轴铰链相连而形成的转动中心；4点为右摆动杆和中间杆通过销轴铰链相连而形成的转动中心；5点为前连杆和活动料斗通过前十字叉相连而形成的转动中心；6点为摆动杆和活动料斗通过右十字叉相连而形成的转动中心。布料器连杆机构模型属于双封闭链空间连杆机构，主要由4个转动副(图中1～4)和2个球销副(图中5、6)组成。该模型的自由度[7]为

F=6N-5P-4Q=6×5-5×4-4×2=2

(1)

式中,F为模型自由度;N为连杆数;P为转动副个数;Q为球销副个数。

2　布料器运动分析

2.1布料器ADAMS运动学仿真

通过反位移法求解输入参数,即给定布料轨迹反求液压缸摆角。可以利用非线性方程的迭代算法求出该空间机构的数值解[8];也可以采用运动学仿真软件进行分析[9]。本文运用ADAMS虚拟样机技术对布料器传动系统进行仿真分析,可以有效节省计算时间,方便后续维护工作。

首先确定旋转溜槽摆角θ、α与驱动转角θx、θy的关系。如图3所示,旋转溜槽绕X轴顺时针旋转θx角度,然后再绕Y轴逆时针旋转θy角度。其结果等效于旋转溜槽偏离Z轴θ角度，且旋转溜槽重心在OXY面上的投影与X轴的夹角为α。

图3　溜槽摆角几何关系图

由几何关系可知:

cosθ=cosθxcosθy

(2)

sinθcosα=cosθxsinθy

(3)

sinθsinα=sinθx

(4)

由式(2)～式(4)可得

θx=arcsin(sinθsinα)

(5)

θy=arctan(tanθcosα)

(6)

布料器要求能够实现圆形、螺旋形、直线、扇形和不同角度圆形过渡5种布料形式[10]。在仿真过程中，给定特定布料形式下溜槽摆角θ、α函数，以此驱动布料器运动，从而反求出液压缸驱动角。分析框图如图4所示。

图4　布料器运动分析框图

在Pro/E中,布料器三维模型通过结构尺寸分析与干涉检查可知,布料器正常工作最大允许溜槽摆角为40°。以最常用的圆形布料形式,且布料角度为极限角度40°为例进行分析,此时θ为40°,设置α的灵敏度为36°/s。ADAMS仿真时,θ、α使用弧度表示,驱动转角θx、θy分别为

θx=arcsin(sin0.6981 sin0.6283t)

(7)

θy=arctan(tan0.6981 cos0.6283t)

(8)

仿真时间为10 s,仿真步距为0.01 s,可得到两驱动液压缸转角随时间变化曲线,如图5所示。

在考核内容上注重质量，增设“学生”维度，为其提供话语权，增强课堂参与程度，与教师共同就“观点内容”、“呈现方式”、“表达能力”、“时间控制”以及“过程组织”5方面进行多角度审视。在考核方式上涉及“组内评价”、“组间互评”和“教师评价”，其中，“组内评价”要求各成员之间就成果贡献值进行评价，实现组内监督作用，“组内互评”方式要求其他小组按照指定的评分标准给予现场打分，学生也由课堂旁观者变成了课堂参与者、主导者，而“教师评价”方式则重点进行查漏补缺与适当补充。

图5　θ=40°圆形布料时液压缸转角

可知,两液压缸转角范围均在-30°到48°之间,符合摆动液压缸使用条件。为实现对液压缸转角的平稳控制,还需要对上述离散点进行拟合。

2.2液压缸转角MATLAB非线性拟合

当圆形布料时，两驱动液压缸的活塞转角周期性变化，可用三角函数来拟合。为了保证较高拟合精度，使用三项三角函数，即两驱动液压缸的活塞转角函数模型：

f(t)=a1sin(b1t+c1)+a2sin(b2t+c2)+a3sin(b3t+c3)

(9)

应用MATLAB中lsqcurvef it函数[11]可求解出转角方程中的常数项,从而得到液压缸转角关于时间的函数(活动料斗摆动周期T为10 s)：

f1(t)=39.21 sin(0.64t+2.20)+

10.16sin(0.28t-0.09)+1.26sin(2.02t+2.19)

(10)

f2(t)=40.29sin(0.64t+0.82)+10.94sin(0.30t+

0.26)+1.27sin(2.00t-0.28)

(11)

式中,f1(t)为液压缸Ⅰ的转角;f2(t)为液压缸Ⅱ的转角。

通过对式(10)、式(11)求导可得出40°圆形布料时液压缸角速度和角加速度变化情况。对液压缸转角进行误差分析,摆动液压缸1行程拟合函数的均方根误差为0.031°,最大相对误差为0.019%;摆动液压缸2行程拟合函数的均方根误差为0.021°,最大相对误差为0.034%。

按照上述运动分析方法，可得到1°～34°圆形布料形式下液压缸转角函数。其中最大布料相对误差小于0.05%,表明该模型及仿真分析方法能保证较高的机构稳定性和布料均匀性。

3　布料器应力分析

布料器工作过程中,由于布料速度值不是很大,布料器所受载荷的变化不快,所以采用静态分析方法。以圆形布料为例，在受力最大位置处即旋转溜槽摆动到与竖直方向成40°角的位置对布料器结构进行强度分析计算,以保证其可靠性。

图6是连接块零件图,分别与连杆、活动料斗铰接,结构尺寸较小且承受较大的循环载荷，最容易产生疲劳失效,通过Pro/E运动仿真可验证该结论。为了避免软件间的导入误差，采用程序化编程方法APDL在ANSYS中完成连接块建模。采用六面体固体结构单元Solid186划分网格，它是一个高阶三维20节点单元，具有二次位移模式，可以更好地模拟不规则的网格。每个节点有3个平移自由度。单元支持塑性、超弹性、蠕变、应力钢化、大变形和大应变能力，同时六面体网格可大大减小计算量。布料器工作环境温度为200～600 ℃,连接块材料选择奥氏体不锈钢0Cr19Ni9。表1为连接块材料性能参数。

图6　连接块及其应力、约束位置

温度(℃)材料牌号弹性模量E(GPa)泊松比μ屈服强度σ0.2(MPa)切变模量G(GPa)2000Cr19Ni91870.267≥20673.8

如图6所标注的应力、约束位置,将轴承所受径向力等效成压强施加在d面上,同时将轴向力等效成压强施加在与轴肩相接触的e面上；f面与轴承配合，故分析时将其径向自由度约束住,g面通过螺钉与端盖相连限制轴承的轴向位移，约束其轴向自由度。分析结果显示,最大应力为117.41 MPa。选取连接块应力较大处的节点,并将这些节点的平均应力及应力幅值点与Goodman-Smith曲线比较,评定结果如图7所示。所选节点的平均应力及应力幅值均位于连接块的Goodman-Smith曲线内，连接块满足无限疲劳寿命要求。

图7　连接块Goodman-Smith曲线

4　结论

(1)本文设计了一种新型空间连杆布料器,提出了一种基于ADAMS和MATLAB软件的仿真分析方法,并从运动误差、疲劳应力等方面验证了设计的合理性。

(2)通过摆动液压缸驱动，新型布料器可实现圆形、螺旋形、直线型、扇形和不同角度圆形过渡5种布料形式。最大布料角度为40°，布料相对误差小于0.05%。

(3)布料器工作环境温度为200～600 ℃且长期承受循环冲击载荷作用，新型布料器满足无限疲劳寿命要求。

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(编辑卢湘帆)

A New Blast Furnace Distributor and Analyses of Its Movement and Stress

Lin WenqiangGuo Aibo

Northeastern University,Shenyang,110819

A spatial-linkage-based distributor was designed since the complexity and large space occupation of the bell-less top equipment.The authors simplified the fabric construction and developed a mathematical model,the governing equations of rotary cylinder was obtained after the specific trajectory motion simulation using ADAMS as well as the nonlinear fitting with MATLAB.The distributor discussed herein was long subjected to cyclic impact load at 200～600 ℃,fatigue failure was the most common failure mode.Strength calculations of dangerous parts and fatigue assessments of their nodes were conducted using ANSYS,a software of which was based on finite element analysis.Analysis shows that the largest fabric angle of this distributor is of 40°and the relative error is less than 0.05%,the structural strength can meet the requirements of an infinite fatigue life.

distributor;spatial linkage mechanism;ADMAS simulation;finite element analysis

2014-08-13

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2014BAF08B01)

TF572< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.006

林文强,男,1961年生。东北大学机械工程与自动化学院副教授。主要研究方向为复合材料疲劳强度、机电一体化设计和制造业信息化管理。发表论文20余篇。郭爱波，男，1990年生。东北大学机械工程与自动化学院硕士研究生。