攔焦車導(dǎo)焦柵移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化★

程世平

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

引言

攔焦車是煉焦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)著導(dǎo)流紅焦及捕集煙塵的任務(wù)。導(dǎo)焦柵作為攔焦車的核心部件，連接焦側(cè)炭化室爐口與熄焦車，引導(dǎo)1 000℃的紅焦從炭化室流入熄焦車車箱內(nèi)。導(dǎo)焦結(jié)束后，導(dǎo)焦柵向后移動(dòng)，與炭化室爐口分離，攔焦車走行至下一爐[1-3]。攔焦車一爐與一爐之間運(yùn)轉(zhuǎn)周期較短，導(dǎo)焦柵的移動(dòng)機(jī)構(gòu)的好壞將直接影響到攔焦車能否正常工作，最終影響焦化廠的正常生產(chǎn)運(yùn)行[4-6]。

本文以4.3 m焦?fàn)t配套的攔焦車為主要討論對象。4.3 m焦側(cè)爐臺鋪設(shè)有兩條軌道，供攔焦車走行使用，第一軌到焦?fàn)t正面線的距離通常為700 mm，兩條軌道之間間距通常為1 800 mm，爐柱尺寸通常為390 mm，除去爐柱焦側(cè)爐臺的有效空間僅為2 100 mm。爐臺有限的布置空間，是導(dǎo)作焦移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)解決的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

1 導(dǎo)焦柵移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)導(dǎo)焦柵移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)分析結(jié)果，以偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為參考實(shí)例，設(shè)計(jì)的導(dǎo)焦柵移動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案見圖1。設(shè)AB為曲柄長度為r；設(shè)BC為連桿長度為L，e為偏心距。曲柄的A點(diǎn)固定在導(dǎo)焦車鋼結(jié)構(gòu)上，為鉸鏈連接；連桿的C點(diǎn)固定在焦柵上，為鉸鏈連接；曲柄與連桿鉸接。導(dǎo)焦柵上設(shè)有支撐導(dǎo)輥，導(dǎo)焦車上設(shè)置軌道。當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)連桿BC沿偏心距e往復(fù)擺動(dòng)，滑塊C實(shí)現(xiàn)的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。最終實(shí)現(xiàn)導(dǎo)焦柵的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滿足攔焦車導(dǎo)焦柵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求。

1.1 曲柄與連桿參數(shù)確定

初始設(shè)計(jì)時(shí)，假設(shè)滑塊的行程速度比系數(shù)K，滑塊的行程H，偏距e，確定曲柄及連桿的長度見圖2。

圖1 導(dǎo)焦柵移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖

圖2 導(dǎo)焦柵運(yùn)動(dòng)軌跡圖

1）根據(jù)給定的行程速度比系數(shù)K，按式（1）計(jì)算極位夾角θ：

2）作線段C1C2長度為H

3）過點(diǎn) C1，作射線 C1O 使∠C2C1O=90°－θ；過點(diǎn)C2，作射線C2O使∠C1C2O=90°－θ。

5）在線段C1C2下方作平行線，使偏距為e，交圓弧于點(diǎn)A，即為所求，連接線段AC1及AC2。

6）以點(diǎn)A為圓心，以線段AC1為半徑作弧交線段AC2于E，得：

1.2 機(jī)構(gòu)各個(gè)位置點(diǎn)確定

偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)按輸出桿與輸入桿的位置關(guān)系設(shè)計(jì)，可以采用幾何法、分析法和實(shí)驗(yàn)法，其中幾何法比較簡便，在一般設(shè)計(jì)中采用較多，在此我們也采用幾何法設(shè)計(jì)。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滑塊偏距e在固定鉸鏈A的上方見圖3。曲柄順時(shí)針向轉(zhuǎn)Φ12角時(shí)，滑塊在A點(diǎn)右側(cè)向右水平移動(dòng)S12距離。用幾何法作圖設(shè)計(jì)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的步驟如下：

圖3 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)幾何法

1）作 l1、l2兩平行線相距為偏距 e，在 l2上任選一點(diǎn)A作為固定鉸鏈中心，并截取（E點(diǎn)在與位移的反方向取）。

2）作AY垂直于S12的方位線，作直線R12A使（從AY量起，與輸入桿轉(zhuǎn)角Φ12方向相反）。

2012年統(tǒng)計(jì)，全國已有240座城市實(shí)現(xiàn)了城市防洪排澇一體化管理。城市防洪排澇管理正由過去的“九龍管水”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙积埞芩保辛藘?yōu)勢資源，降低了行政成本，提高了執(zhí)行效率，有利于防洪排澇統(tǒng)一指揮、實(shí)時(shí)調(diào)度和精細(xì)化管理，避免了責(zé)任不清、互相扯皮的現(xiàn)象，促進(jìn)了防洪排澇管理水平的提高。例如，北京、天津、上海、武漢、南昌等市成立城市水務(wù)局，設(shè)防汛指揮部辦公室，承擔(dān)城市防汛抗旱指揮部日常工作。市防汛指揮部辦公室與市水務(wù)局為兩塊牌子、一個(gè)班子，統(tǒng)一負(fù)責(zé)供水、排水、防汛、抗旱和水資源等所有涉水事務(wù)的管理工作，有效地協(xié)調(diào)供、排、防、抗的矛盾。

3）過E點(diǎn)作l4線與AY線平行，l4線與R12A線的交點(diǎn)R12是相對轉(zhuǎn)動(dòng)極點(diǎn)。

4）過 R12點(diǎn)作任一 lB線，同時(shí)作 lC線使∠B1R12C1=（轉(zhuǎn)向與Φ12轉(zhuǎn)向相同）。在lB線上任選一點(diǎn)作為輸入桿動(dòng)鉸鏈中心B1，lC線與l1線的交點(diǎn)即為輸出桿上動(dòng)鉸鏈中心C1。

5）A1B1C1即為機(jī)構(gòu)在第一位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)簡圖。

2 導(dǎo)焦柵移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化

2.1 行程優(yōu)化

如圖4所示，在曲柄AB在轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過程中，有兩次與連桿BC共線。此時(shí)，連桿BC與偏心距的交點(diǎn)為C2和C1，交點(diǎn)C2和C1為滑塊做往復(fù)擺動(dòng)的左、右極限位置。C2C1為滑塊的最大行程。

機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第二版偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的最大行程公式為s'，見公式（4）進(jìn)行計(jì)算：

圖4 導(dǎo)焦柵行程圖

導(dǎo)焦柵導(dǎo)焦時(shí)伸入爐柱內(nèi)，導(dǎo)焦完后向后移動(dòng)，得移出爐柱，攔焦車才能順利走行到下一炭化室見圖5。常規(guī)4.3 m焦?fàn)t的爐柱尺寸為390 mm。由于爐門有兩種形式，一種是螺絲爐門，一種是彈簧爐門。彈簧爐門的門栓掛板要比螺絲爐門的長，故針對兩種爐門形成了兩個(gè)系列的導(dǎo)焦柵移動(dòng)尺寸，螺絲爐門通常為520 mm，彈簧爐門通常為640 mm。為了減少零件總類，提高零部件的通用性和利用率，實(shí)現(xiàn)零件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，所以只要最大的一組導(dǎo)焦柵的移動(dòng)行程640 mm落在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)左、右極限位置以內(nèi)，便可以實(shí)現(xiàn)較小的行程520 mm。曲柄AB不需要轉(zhuǎn)動(dòng)整圈，僅通過控制AB的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來完成導(dǎo)焦柵移動(dòng)行程的系列化。

圖5 導(dǎo)焦柵與炭化室對位剖視圖

通過分析公式（4）可知，行程s'與曲柄AB、連桿BC、及偏心距的長度尺寸有關(guān)。下面分三種情況進(jìn)行討論。

1）當(dāng) L、e一定時(shí)，s'隨 r的變化關(guān)系，見下頁表1。當(dāng)（L-r）2-e2＞0 時(shí)，s'隨 r的增大而增大，而且 r增大可引起 s'較大的變化；當(dāng)（L-r）2-e2＜0，時(shí) s'無解。

2）當(dāng) r、e一定時(shí)，s'隨 L的變化關(guān)系，見下頁表2。當(dāng)（L-r）2-e2＞0時(shí)，s'隨 L 的增大而增大，但 L 的增加幅度不明顯；當(dāng)（L-r）2-e2＜0，時(shí) s'無解。

3）當(dāng) r、L 一定時(shí)，s'隨 e的變化關(guān)系，見下頁表3。當(dāng)（L-r）2-e2＞0時(shí)，s'隨e的增大而增大；當(dāng)（L-r）2-e2＜0，時(shí)s'無解。

對比表1、表2、表3的數(shù)據(jù)，可知通過增加曲柄AB的長度及增加偏心距，可有效的增加滑塊的極限行程，通過增加連桿BC的長度對增加滑塊的極限行程并沒有多大的作用，還會占用寶貴的布置空間。綜上所述，r、e選擇較長的尺寸，L選擇較短的尺寸，這樣的選擇可以有效的控制導(dǎo)焦柵移動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置空間。

表1 s'隨r的變化關(guān)系（L=810 mm，r=100 mm） mm

表2 s'隨L的變化關(guān)系（e=20 mm，r=465 mm） mm

表3 s'隨e的變化關(guān)系（L=810 mm，r=465 mm） mm

經(jīng)過多次優(yōu)化r、e、L尺寸，又結(jié)合導(dǎo)焦柵的可利用空間，最終取得r=465 mm、e=385 mm、L=810 mm。用畫圖法求得滑塊沿偏心距e的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖6，以點(diǎn)A為圓心做半徑為r=465 mm的圓，將圓周平均分成12等分，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。曲柄位置1，以1為圓心做半徑為L=810 mm的圓，與偏心距交于1'，按此方法依次進(jìn)行作圖。從圖上可看得出，即使位置10與偏心距沒有交點(diǎn)，但位置7對應(yīng)滑塊7'至右極限位置的距離967 mm≥640 mm，已經(jīng)足夠使用，故選取的數(shù)據(jù)合理。

圖6 C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖

2.2 驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位置優(yōu)化

經(jīng)過行程優(yōu)化后，導(dǎo)焦柵移動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)基本設(shè)計(jì)完成，但是這時(shí)用油缸驅(qū)動(dòng)曲柄B點(diǎn)得話，油缸行程還是較長。而且，導(dǎo)焦柵的操作時(shí)間較短及布置空間有限，為了滿足導(dǎo)焦柵的這種特殊運(yùn)動(dòng)要求，得進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用縮小機(jī)構(gòu)來完成此階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)見圖7。在A點(diǎn)增加曲柄AD，長度為d，d＜r，曲柄AD與搖桿AB為同心軸固定，兩者之間成一定角度。當(dāng)曲柄AD順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則曲柄AB同時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 導(dǎo)焦柵移動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖

因?yàn)椤螧1AB2=∠D1AD2，△AB1B2與△AD1D2均為等邊三角形，所以△AB1B2∽△AD1D2，則

驅(qū)動(dòng)點(diǎn)從B改到D，油缸的行程可減到0.537B1B2，這樣就完全滿足了生產(chǎn)工藝要求，也保護(hù)了油缸的活塞桿，減少了油缸的維修成本，延長了油缸使用壽命。

3 結(jié)語

導(dǎo)焦柵移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸適度，在整體布置上占的空間小，達(dá)到布局緊湊，又節(jié)約材料，很好地解決了布置空間緊張的問題，滿足了導(dǎo)焦柵移動(dòng)生產(chǎn)工藝要求及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

同時(shí)一套移動(dòng)機(jī)構(gòu)，只需改變AB桿的起始角度，便適應(yīng)了兩種爐門結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，降低了成本。經(jīng)過多套設(shè)備的運(yùn)行取得了良好的運(yùn)行效果，該導(dǎo)焦柵的移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是完全可行的。