一種新型高爐布料器及其運動和應力分析

林文強　郭愛波

東北大學,沈陽,110819

一種新型高爐布料器及其運動和應力分析

林文強郭愛波

東北大學,沈陽,110819

針對無料鐘爐頂布料器結構復雜、占用空間大的缺點,設計了一種基于空間連桿機構的布料器。對布料器結構進行合理簡化并建立數學模型，采用ADAMS進行了特定軌跡下的運動仿真，聯合MATLAB進行非線性擬合,求出擺動液壓缸的控制方程。所研究的布料器工作環境溫度為200～600 ℃且長期承受循環沖擊載荷作用,其最常見的失效形式是疲勞失效。基于有限元分析軟件ANSYS對布料器危險零件進行強度計算并對其各節點按Goodman-Smith疲勞極限圖進行疲勞評定。分析表明：該布料器最大布料角度為40°,布料相對誤差小于0.05%，其結構強度滿足無限疲勞壽命要求。

布料器；空間連桿機構;ADAMS仿真；有限元分析

0　引言

我國生鐵產量占據世界生鐵產量的95%左右,但是生產水平與先進國家相比還是有差距。問題主要集中于高爐爐頂設備使用率、爐頂壽命和環境保護、資源的合理利用等幾個方面[1]。布料器是將原料及固體燃料按要求分布于豎窯橫斷面上的布料裝置,它是高爐的重要部件,保證布料器安全可靠地運行是提高鋼鐵生產水平的基本前提。布料器實現均勻布料需滿足以下三個條件:一是結構簡單,不存在運動死點;二是強度滿足無限疲勞壽命要求,運行可靠;三是可實現特定軌跡下的均勻布料,易于控制。對布料器進行仿真分析主要采用三種方法：利用對偶理論，通過坐標轉換矩陣，列出非線性方程組求解；軟件仿真得到輸入輸出的數值解；優化法求解近似軌跡,這涉及初值選取,目標函數性態及尋優方法[2]。目前,布料器的主要形式為無料鐘爐頂布料器[3]，常用的無料鐘布料器型號有PW型、BT型[4]、BG型[5]和萬向節、HG型[6]等。這些布料器通常采用齒輪傳動來實現各種布料形式,結構復雜且占用空間大。

筆者所設計的新型高爐布料器采用空間連桿機構實現布料功能,與常規布料器相比具有結構簡單、易于維護、運動可靠、布料范圍更大、精度更高、占用空間小的優勢。

1　布料器結構及模型簡化

1.1布料器傳動系統結構及工作原理

新型布料器結構示意圖見圖1,兩個驅動系統分別沿兩個方向驅動活動料斗21使之產生擺動。通過控制擺動液壓缸Ⅱ和擺動液壓缸Ⅰ的擺角可實現布料器以多種形式布料。一個方向的驅動系統包括水平布置的擺動液壓缸Ⅱ、短桿Ⅰ、短桿Ⅱ、擺環12和用于將擺環的角位移傳遞給活動料斗的前連桿2和后連桿15,該方向的驅動是圍繞短桿Ⅰ和軸承Ⅰ所形成的第一擺動軸線展開的。擺動液壓缸Ⅱ輸出的扭矩通過短桿Ⅱ驅動擺環擺動，擺環的擺動通過連桿傳遞給活動料斗，實現活動料斗沿水平軸前后方向的擺動。另一個方向的驅動系統包括擺動液壓缸Ⅰ、中間桿18、右擺動桿19和左擺動桿3，其中右擺動桿與中間桿鉸接，左擺動桿與圍繞軸承Ⅲ擺動的短桿Ⅲ鉸接,該方向的驅動是圍繞活動料斗上端邊緣前側與連桿連接的銷軸Ⅱ所形成的第二擺動軸線展開的,擺動液壓缸Ⅰ的輸出扭矩驅動中間桿擺動,中間桿的擺動通過與其鉸接的右擺動桿轉換成上下直動,從而驅動活動料斗實現沿水平軸左右方向的擺動。活動料斗兩個方向擺動的合成運動實現該布料裝置的均勻布料動作。

1.銷軸Ⅱ　2.前連桿　3.左擺動桿　4.短桿Ⅲ　5.軸承Ⅲ 6.銷軸Ⅰ　7.軸承Ⅱ　8.擺動液壓缸Ⅱ　9.短桿Ⅱ 10.固定裝料筒　11.銷軸Ⅲ　12.擺環　13.短桿Ⅰ14.軸承Ⅰ　15.后連桿　16.軸承Ⅳ　17.擺動液壓缸Ⅰ18.中間桿　19.右擺動桿　20.連接塊　21.活動料斗圖1　布料器結構示意圖

1.2布料器模型簡化及自由度計算

圖2　布料器連桿機構模型

經過對布料器機械結構的分析，可建立布料器連桿機構模型,見圖2。為了簡化分析，將冗余部分和液壓缸部分去除,之后通過主軸轉角和液壓缸的轉角關系可間接建立溜槽擺角和液壓缸轉角的關系。其中1點處擺動液壓缸Ⅱ通過軸承完成轉動，通過軸承座固定；2點連接中間桿和擺動液壓缸Ⅰ，是通過軸承座固定而形成的轉動中心;3點為前連桿和擺環通過銷軸鉸鏈相連而形成的轉動中心；4點為右擺動桿和中間桿通過銷軸鉸鏈相連而形成的轉動中心；5點為前連桿和活動料斗通過前十字叉相連而形成的轉動中心；6點為擺動桿和活動料斗通過右十字叉相連而形成的轉動中心。布料器連桿機構模型屬于雙封閉鏈空間連桿機構，主要由4個轉動副(圖中1～4)和2個球銷副(圖中5、6)組成。該模型的自由度[7]為

F=6N-5P-4Q=6×5-5×4-4×2=2

(1)

式中,F為模型自由度;N為連桿數;P為轉動副個數;Q為球銷副個數。

2　布料器運動分析

2.1布料器ADAMS運動學仿真

通過反位移法求解輸入參數,即給定布料軌跡反求液壓缸擺角。可以利用非線性方程的迭代算法求出該空間機構的數值解[8];也可以采用運動學仿真軟件進行分析[9]。本文運用ADAMS虛擬樣機技術對布料器傳動系統進行仿真分析,可以有效節省計算時間,方便后續維護工作。

首先確定旋轉溜槽擺角θ、α與驅動轉角θx、θy的關系。如圖3所示,旋轉溜槽繞X軸順時針旋轉θx角度,然后再繞Y軸逆時針旋轉θy角度。其結果等效于旋轉溜槽偏離Z軸θ角度，且旋轉溜槽重心在OXY面上的投影與X軸的夾角為α。

圖3　溜槽擺角幾何關系圖

由幾何關系可知:

cosθ=cosθxcosθy

(2)

sinθcosα=cosθxsinθy

(3)

sinθsinα=sinθx

(4)

由式(2)～式(4)可得

θx=arcsin(sinθsinα)

(5)

θy=arctan(tanθcosα)

(6)

布料器要求能夠實現圓形、螺旋形、直線、扇形和不同角度圓形過渡5種布料形式[10]。在仿真過程中，給定特定布料形式下溜槽擺角θ、α函數，以此驅動布料器運動，從而反求出液壓缸驅動角。分析框圖如圖4所示。

圖4　布料器運動分析框圖

在Pro/E中,布料器三維模型通過結構尺寸分析與干涉檢查可知,布料器正常工作最大允許溜槽擺角為40°。以最常用的圓形布料形式,且布料角度為極限角度40°為例進行分析,此時θ為40°,設置α的靈敏度為36°/s。ADAMS仿真時,θ、α使用弧度表示,驅動轉角θx、θy分別為

θx=arcsin(sin0.6981 sin0.6283t)

(7)

θy=arctan(tan0.6981 cos0.6283t)

(8)

仿真時間為10 s,仿真步距為0.01 s,可得到兩驅動液壓缸轉角隨時間變化曲線,如圖5所示。

在考核內容上注重質量，增設“學生”維度，為其提供話語權，增強課堂參與程度，與教師共同就“觀點內容”、“呈現方式”、“表達能力”、“時間控制”以及“過程組織”5方面進行多角度審視。在考核方式上涉及“組內評價”、“組間互評”和“教師評價”，其中，“組內評價”要求各成員之間就成果貢獻值進行評價，實現組內監督作用，“組內互評”方式要求其他小組按照指定的評分標準給予現場打分，學生也由課堂旁觀者變成了課堂參與者、主導者，而“教師評價”方式則重點進行查漏補缺與適當補充。

圖5　θ=40°圓形布料時液壓缸轉角

可知,兩液壓缸轉角范圍均在-30°到48°之間,符合擺動液壓缸使用條件。為實現對液壓缸轉角的平穩控制,還需要對上述離散點進行擬合。

2.2液壓缸轉角MATLAB非線性擬合

當圓形布料時，兩驅動液壓缸的活塞轉角周期性變化，可用三角函數來擬合。為了保證較高擬合精度，使用三項三角函數，即兩驅動液壓缸的活塞轉角函數模型：

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

(9)

應用MATLAB中lsqcurvef it函數[11]可求解出轉角方程中的常數項,從而得到液壓缸轉角關于時間的函數(活動料斗擺動周期T為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)為液壓缸Ⅰ的轉角;f2(t)為液壓缸Ⅱ的轉角。

通過對式(10)、式(11)求導可得出40°圓形布料時液壓缸角速度和角加速度變化情況。對液壓缸轉角進行誤差分析,擺動液壓缸1行程擬合函數的均方根誤差為0.031°,最大相對誤差為0.019%;擺動液壓缸2行程擬合函數的均方根誤差為0.021°,最大相對誤差為0.034%。

按照上述運動分析方法，可得到1°～34°圓形布料形式下液壓缸轉角函數。其中最大布料相對誤差小于0.05%,表明該模型及仿真分析方法能保證較高的機構穩定性和布料均勻性。

3　布料器應力分析

布料器工作過程中,由于布料速度值不是很大,布料器所受載荷的變化不快,所以采用靜態分析方法。以圓形布料為例，在受力最大位置處即旋轉溜槽擺動到與豎直方向成40°角的位置對布料器結構進行強度分析計算,以保證其可靠性。

圖6是連接塊零件圖,分別與連桿、活動料斗鉸接,結構尺寸較小且承受較大的循環載荷，最容易產生疲勞失效,通過Pro/E運動仿真可驗證該結論。為了避免軟件間的導入誤差，采用程序化編程方法APDL在ANSYS中完成連接塊建模。采用六面體固體結構單元Solid186劃分網格，它是一個高階三維20節點單元，具有二次位移模式，可以更好地模擬不規則的網格。每個節點有3個平移自由度。單元支持塑性、超彈性、蠕變、應力鋼化、大變形和大應變能力，同時六面體網格可大大減小計算量。布料器工作環境溫度為200～600 ℃,連接塊材料選擇奧氏體不銹鋼0Cr19Ni9。表1為連接塊材料性能參數。

圖6　連接塊及其應力、約束位置

溫度(℃)材料牌號彈性模量E(GPa)泊松比μ屈服強度σ0.2(MPa)切變模量G(GPa)2000Cr19Ni91870.267≥20673.8

如圖6所標注的應力、約束位置,將軸承所受徑向力等效成壓強施加在d面上,同時將軸向力等效成壓強施加在與軸肩相接觸的e面上；f面與軸承配合，故分析時將其徑向自由度約束住,g面通過螺釘與端蓋相連限制軸承的軸向位移，約束其軸向自由度。分析結果顯示,最大應力為117.41 MPa。選取連接塊應力較大處的節點,并將這些節點的平均應力及應力幅值點與Goodman-Smith曲線比較,評定結果如圖7所示。所選節點的平均應力及應力幅值均位于連接塊的Goodman-Smith曲線內，連接塊滿足無限疲勞壽命要求。

圖7　連接塊Goodman-Smith曲線

4　結論

(1)本文設計了一種新型空間連桿布料器,提出了一種基于ADAMS和MATLAB軟件的仿真分析方法,并從運動誤差、疲勞應力等方面驗證了設計的合理性。

(2)通過擺動液壓缸驅動，新型布料器可實現圓形、螺旋形、直線型、扇形和不同角度圓形過渡5種布料形式。最大布料角度為40°，布料相對誤差小于0.05%。

(3)布料器工作環境溫度為200～600 ℃且長期承受循環沖擊載荷作用，新型布料器滿足無限疲勞壽命要求。

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(編輯盧湘帆)

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

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2014BAF08B01)

TF572< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.12.006

林文強,男,1961年生。東北大學機械工程與自動化學院副教授。主要研究方向為復合材料疲勞強度、機電一體化設計和制造業信息化管理。發表論文20余篇。郭愛波，男，1990年生。東北大學機械工程與自動化學院碩士研究生。