KJX型開鐵口機穩定性的提升

李振明，惠 展，索 婷，付光勇

(中鋼集團西安重機有限公司， 陜西 西安 710200)

0 前言

開鐵口機作為高爐出鐵場主要設備之一，屬現代化大型冶煉高爐的關鍵設備，其穩定性關系到設備自身壽命及高爐開口效率。開鐵口機的穩定性主要體現在設備旋轉至指定位置時能否平緩停止、轉臂使用過程中有無彎曲變形等。通過對KJX型開鐵口機的詳細調研，針對具體問題，分析了其在使用過程中穩定性的不足，并提出相關改進措施，最終使設備的穩定性有了較大的提升，延長了設備使用壽命，提高了高爐開口效率。

1 存在的缺陷

KJX型開鐵口機的結構如圖1所示，開鐵口機由送進機構、吊掛機構、旋轉機構、液壓油缸、斜底座等組成。旋轉機構通過斜底座自身的角度，由液壓油缸驅動轉臂帶動吊掛機構及送機機構到工作位置，鉆頭自動對準鐵口，進行開口作業。由于采用斜底座，整個開鐵口機可看作一個空間桿機構，機構的鉸接點位于回轉中心。送進機構與吊掛機構固定于轉臂前端，轉臂帶動送進機構、吊掛機構繞回轉中心做往復旋轉。現場使用中發現KJX型開鐵口機主要存在的穩定性缺陷有：旋轉慣性沖擊大、轉臂梁彎曲變形。

圖1 KJX型開鐵口機結構簡圖

1.1 旋轉慣性沖擊大

在一些高爐現場使用過程中發現，轉臂在回轉過程的前中期速度較快，后期旋轉至工作位置或待機位置時，設備慣性沖擊大，液壓油缸未能將轉臂速度減緩至停，導致轉臂上的限位螺栓與斜底座的限位塊鋼性碰撞。此現象在一些手動液壓閥臺控制的開鐵口機上尤其明顯，長期使用后設備液壓油缸緩沖損壞，設備本體的壽命縮短。

1.2 轉臂梁彎曲變形

轉臂作為開鐵口機的主要部件，其結構的強度及剛度直接影響著設備的使用效果。轉臂一端鉸接在斜底座上，另一端與吊掛機構固定于轉臂前端，當轉臂旋轉至工作位置后，鉆頭自動對準鐵口。開鐵口機在現場使用一段時間后發現轉臂彎曲變形，轉臂旋轉至工作位置后，送進機構不能準確對準鐵口，鉆孔位置及鉆孔角度發生改變，經測量鉆頭低于鐵口垂直距離15 mm，影響高爐正常生產作業。

2 原因分析

2.1 旋轉慣性沖擊大

開鐵口機由液壓油缸驅動，壓力及流量通過閥臺已調校到定值，轉臂帶動吊掛機構及送進機構從工作位置旋轉到停止位置時，液壓油缸帶載全速運動，吊掛機構及送進機構的重量會對轉臂產生慣性力，其大小主要取決于轉臂旋轉速度變化的大小，加速度越快，慣性越大。當轉臂旋轉至停止位置時，由于慣性較大，只靠液壓油缸端頭機械緩沖不能完全克服轉臂運動帶來的慣性沖擊，造成轉臂上的限位螺栓與斜底座的限位塊鋼性碰撞，設備本體損害大，液壓油缸內部磨損較快。

2.2 轉臂梁彎曲變形

開鐵口機在鉆孔垂直位置降低，不能準確開孔。現場詳細檢測各部件尺寸后發現轉臂梁端部高度低于尾部高度，垂直高度距離相差14.9 mm，與開孔誤差距離接近，判斷轉臂梁彎曲變形為送進機構不能準確對準鐵口的主要原因，并對轉臂強度及剛度進行計算驗證。

轉臂屬于長箱體結構，KJX型開鐵口機轉臂梁長5 m，一端鉸接斜底座，另一端由送機機構和吊掛機構連接與轉臂頭部，轉臂梁受自身重力及垂直向下的外力的作用，外力等于送機機構和吊掛機構的重力總和。同時轉臂梁受到鑿巖機鉆孔時沖擊振動載荷的影響，并且由于鑿巖機小車沿著送機機構軌梁的移動，會引起軌梁重心的改變，對轉臂梁產生扭矩。但是，開口作業時，軌梁前端球形支座緊壓在焊接于爐殼上的錨鉤座內，開鐵口機通過液壓油缸產生的壓緊力，抵消鑿巖機小車移動及鑿巖機鉆孔時對轉臂梁引起的扭矩及載荷，因此，在對轉臂梁進行載荷分析時，只考慮懸臂梁自身的重力G及外力F。轉臂梁受力模型如圖2所示。在設定轉臂梁右端受力點的載荷大小時，受力大小乘以動載荷系數1.2，確定外力載荷F。轉臂梁材料為Q235,鋼板厚度a=30 mm,梁的橫截面高度H=450 mm,h=390 mm,寬度B=500 mm,b=440 mm,轉臂梁長度L=5m,質量M梁=2237 kg，將懸臂梁的自重可看作集中載荷q，送進機構M1=3800 kg,吊掛裝置M2=2400 kg, 校核轉臂梁的強度及剛度。

圖2 轉臂梁受力模型圖

彎曲強度

彎矩

抗彎截面系數

剪切強度

疊加撓度

剪切撓度

[σw]=120 MPa；[]=80 MPa；[f]=L/500；彈性模量E=200 GPa；剪切模量G=79 GPa。

根據以上數據計算得

F=74.4 kN；M=647 kN·m；σmax=90 MPa；Iz=0.0016 m4；max=1.6 MPa；W=0.0072 m3；f=15 mm；f1=0.11 mm；[f]=10 mm；

觀察數據得知，轉臂梁在右端的彎曲應力值σmax為90 MPa，小于材料許用彎曲應力值120 MPa；彎曲變形量f=15 mm，與現場測量數據基本相符，但已超出容許變形量[f]；剪切應力為max=1.6 MPa，遠小于材料許用剪切應力值80 MPa，剪切變形量f1=0.11 mm，判斷剪切應力對轉臂變形影響較小，此梁強度符合要求，剛度未達標，彎曲變形主要以自重及外力對梁產生的撓度為主。

3 改進措施

3.1 提升開鐵口機的穩定性

為了提高開鐵口機的整體穩定性，必須解決設備慣性沖擊大及轉臂彎曲變形的缺陷。實踐證明，通過分段控制轉臂回轉速度能解決慣性沖擊大的缺陷，增加液壓緩沖器能減輕慣性沖擊帶來的損壞，優化改進轉臂結構能較好的改善轉臂的彎曲變形。

3.1.1 分段控制轉臂回轉速度

解決開鐵口機慣性沖擊大的問題，主要從液壓系統控制轉臂回轉速度的方面入手。開鐵口機質量已定，在油缸通徑恒定的情況下，改變系統流量和壓力，能有效改變轉臂的運行速度。開鐵口機合理的運行速度分配分為4個階段：第一階段為加速階段t1，第二階段為高度運行階段t2，第三階段為減速階段t3，第四階段為低速運行至停止階段t4，開鐵口機的速度給定曲線如圖3所示。

圖3 開鐵口機速度給定曲線

KJX型開鐵口機安裝旋轉編碼器，液壓系統中安裝比例閥，按工藝要求，編碼器與PLC系統連接，結合速度給定曲線，用戶通過自定義數值后，轉臂旋轉過程中每次到達不同點為不同的編碼值，在運行的單位時間內編碼器反饋數值差又可以得到實際速度。轉臂轉到接近停止位置時，PLC根據回轉編碼器反饋的信號確定轉臂是否到達指定位置，由模擬量輸出端子向比例閥發送給定值信號來控制比例閥的開度，最終通過控制液壓油缸的流量、壓力來控制轉臂使其平緩運行至停止。開鐵口機回轉自動控制過程如圖4所示。

圖4 開鐵口機旋轉自動控制過程圖

3.1.2 增加液壓緩沖器

在控制開鐵口機回轉速度的同時，為了保護設備防止剛性碰撞，在開鐵口機工位位置及待機位置分別增加液壓緩沖器，利用液體油的阻尼緩沖作用，防止設備本體之間鋼性碰撞。緩沖器固定在轉臂梁上，緩沖器軸心受慣性沖擊后將帶動筒內活塞擠壓內管液壓油，液壓油受壓后將由內管排油孔排出外腔，排出的液壓油從外腔回油孔回流到內管；當外力消失時，彈簧彈回初始點等待下次動作。緩沖器作為設備保護裝置，與液壓油缸內部緩沖共同吸收了轉臂回轉帶來的慣性沖擊，防止設備鋼性碰撞。液壓緩沖器結構簡圖如如圖5所示。

圖5 液壓緩沖器結構簡圖

3.2 轉臂梁的優化改進

根據分析轉臂梁的彎曲強度、剪切強度及撓度得知，轉臂梁的彎曲強度已達到要求，但剛性未達到實際使用要求，必須優化其性能。考慮到轉臂梁質量會增加，在常用厚度a為30 mm，32 mm及34 mm三者內選擇鋼板，以新增加質量在原質量的15%以內合格為條件，外力同樣取轉臂梁右端所受載荷，計算轉臂梁最優條件下的梁寬、梁高及鋼板厚度及校核相關強度。

已知條件

V=2a·L·(B+H)

M梁=ρ·2a·L·(B+H)

M1≤1.15M梁

ρ=7.85

式中，M1為優化后轉臂梁重量。

整理得

a(B+H)≤0.03275

整理圓整后得

a=30 mm；b=550 mm；h=540 mm；

W=0.01 m3

根據計算得知，轉臂梁在厚度a=30 mm，寬度b=550 mm，高度h=540 mm時轉臂梁的彎曲強度σmax最小，抗彎截面系數最高，撓度f=8.6 mm在允許擾度范圍內。

4 改進效果分析

經過一系列的改進，現場運行情況證明開鐵口機整個旋轉過程運行平穩，轉臂接近待機位置或工作位置時能緩慢停止，設備再無剛性碰撞發生。同時，轉臂經過分析和幾何參數優化后質量雖略增加，但抗彎截面系數提高，抗彎能力變強，且撓度在容許范圍內，開鐵口機鉆孔位置不易偏離，鉆孔角度符合要求。KJX型開鐵口機經過一系列的穩定性改進優化，液壓油缸及設備本體壽命延長一倍，設備檢修周期明顯延長。

5 結束語

通過對KJX型開鐵口機的優化改進，解決了原有設備穩定性不足的問題。分段控制轉臂回轉速度解決了一直以來開鐵口機慣性沖擊大的缺陷，并利用液壓緩沖器的輔助，避免了設備的剛性碰撞，達到保護設備并延長壽命的目的。同時通過校核轉臂梁的強度及剛度，并通過數學計算將轉臂梁的疊加撓度調整到合理范圍，不僅為現場穩定生產提供保障，還能為今后轉臂的加工制造提供借鑒。