雙滾桶式焦爐爐蓋提升機構的設計與實現

潘國強，郭文亮，韓念琛，張 耀

（1.太原理工大學機械工程學院，山西 太原030024；2.太原理工大學化學化工學院，山西 太原030024；3.東風公司技術中心，湖北 武漢430058）

1 引言

首先，焦爐立火道溫度是煉焦爐重要的工藝參數。其次，立火道溫度的可靠高效檢測，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，有助于企業節能降耗。所以快速而準確的獲取立火道溫度是高效煉焦的重要保證，對焦爐煉焦工作具有重要意義。目前，多數企業通過人工手持紅外測溫儀對準看火孔測量獲取溫度數據。這種測量方式測量周期長，工人工作環境惡劣，測溫結果易受到人為因素的影響［1］。因此需設計一種移動測溫機器人代替人工測溫。爐蓋提升機構作為焦爐自動測溫機器人的關鍵功能模塊，它的工作可靠性直接影響測溫機器人的后續測溫動作。測溫機器人的工作地點位于煉焦爐表面，煉焦爐的爐頂現有設備中包括一臺軌道式自動裝煤車，其控制室正好位于測溫機器人測溫路徑的上方，距離爐面的理論距離250mm。測溫機器人工作過程中為了避免和裝煤車控制室產生運動干涉，自身的結構設計和所搭載的功能模塊均需滿足限高要求。由于測溫機器人的整體方案選擇和實際工作環境限制，提升機構的安裝和工作高度均存在限制［2］。經過提升機構初步的結構設計，確定為如圖1所示的雙滾桶式提升機構方案，即提升帶的一端與提升滾筒固定，另一端與電磁鐵相連。通過滾桶旋轉纏繞柔性提升帶，實現提升功能。該方案實現的關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 提升機結構三維模型Fig.1 Three-Dimensional Model of Hoist Structure

2 提升帶固定方案和材質要求

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壁，使提升帶與滾筒固定，提升機構工作的過程中步進電機將扭矩通過齒輪嚙合傳遞至提升軸滾筒，提升軸滾筒旋轉使得柔性提升帶在其表面纏繞，進而使提升電磁鐵和爐蓋上下運動。

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

2.2 柔性提升帶材質要求

柔性提升帶的選擇首先滿足三個要求：（1）承受200℃以上的高溫；（2）受拉強度較強，所能承受的載荷應遠遠大于一個爐蓋的重量（5Kg）；（3）具有一定的柔韌性，曲率半徑小于提升機滾筒半徑（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。由于不銹鋼的參數易于獲得，首先以不銹鋼薄鋼帶為研究對象，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應力模態分析

首先對提升滾筒和提升帶構成組合體系統的動態特性進行分析和評估，通過仿真求解得出所需模態的特定固有頻率和模態振型，確定結構部件的振動特性［3］。進而判斷金屬提升帶纏繞提升的可行性，預測其失效形式。

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，以此模擬單個提升軸與柔性提升帶組合體的初始工作載荷，經分析計算得到提升帶前六階的模態振型，如圖3所示：提升帶前六階的模態振型大多為扭轉振型，在實際工作過程中提升帶容易產生應力集中或受到剪切力的作用導致邊界兩端連接處的受力不均，有發生斷裂或者撕裂的可能。為驗證上述仿真分析結果，對于不銹鋼帶的斷裂形式進行試驗驗證。

圖3 提升帶前六階的模態振型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靜力學分析

柔性提升帶和提升滾筒通槽內的固定連接主要受到壓條在緊定螺絲預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為M3，經過計算其能提供的最大預緊力為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入有限元軟件中并劃分網格，并在接觸區域繪制4條路徑用于準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力數值路徑示意圖Fig.4 Extraction of Numerical Path Diagram from Clamped Part of Lifting Belt

假設緊定螺絲的預緊力為自身所能承受的最大預緊力，每個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，接觸面的摩擦系數均設置為0.1［4］。經過仿真計算，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力分布Fig.5 Distribution of Compressive Stress in the Compressed Zone of Lifting Belt

根據四條路徑上的等效應力數據繪制出路徑上的應力分布數圖，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應力的位置，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，連接處可能會產生應力集中，導致提升帶斷開或撕裂。

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

4 兩種材質的提升帶對照試驗

4.1 提升機可靠性試驗驗證方案設計

根據提升機實際使用需求和工作載荷大小，設計試驗方案并搭建實驗平臺，實驗目的在于對提升機的整體進行疲勞試驗、對提升帶與提升軸連接處進行抗斷裂疲勞實驗。實驗選用兩種材質柔性提升帶，分別是0.05mm厚的鋼帶和3K碳纖維編織帶。

首先根據提升機構的設計圖紙，試制兩臺提升機實驗樣機。按照設計方案將電磁鐵和柔性提升帶組合安裝完成，搭設簡易支架，提升機工作載荷使用與焦爐看火孔規格相同的爐蓋代替，配合爐蓋提升控制系統進行試驗，試驗現場如圖7所示，同時測試兩種柔性提升帶的工作情況。

圖7 兩種材質提升帶試驗Fig.7 Two Kinds of Material Lifting Belt Test

4.2 實驗結果

通過試驗發現，0.05mm厚的不銹鋼材質的提升帶，在連續工作7000多個提升周期之后，提升帶在與滾筒通槽夾緊處發生斷裂，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遠大于提升載荷，所以提升帶并未從滾筒通槽內滑出，提升機構的失效原因與之前理論分析得出的結論基本一致，即若柔性提升帶選用金屬材質的薄鋼帶，在提升的過程中會因為鋼帶與滾筒連接根部產生應力集中、受力不均勻以及鋼帶的扭轉，使得鋼帶在承受的工作載荷遠遠小于材料許用應力的時候突然發生斷裂。另一組試驗中，提升帶選用碳纖維材質，由于提升帶是采用碳纖維編織而成，受拉強度經過測試后完全滿足提升機構工作載荷要求。使用碳纖維提升帶的提升機構在試驗運行5萬多個提升周期之后，如圖10（b）所示，碳纖維帶的表面開始起毛。試驗運行10萬多個循環時，碳纖維提升帶的邊緣處出現部分碳纖維組織斷裂的現象，但提升機構仍然可以正常工作。

圖8 提升帶實驗結果Fig.8 Experimental Results of Lifting Band

4.3 結果分析

為了進一步研究碳纖維編織帶作為滾筒式提升機構的柔性提升帶時碳纖維表面起毛和編織結構變松散的原因，便于對問題進行后續處理。使用掃描電鏡對碳纖維表面和編織結構進行探測。首先研究碳纖維絲之間的聯系情況，如圖9所示，原始的碳纖維編織帶邊緣的圖像，各個纖維絲之間不能相互附著，結構較為松散。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，導致碳纖維表面出現起毛現象［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，各個編織束之間的結構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

根據試驗結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表面起毛和編織紋理扭曲變形，是因為原始的碳纖維編織束內纖維絲之間結構松散，纖維束之間編織間隙較大，雖然表面磨損不會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鍵［7］。

為了解決碳纖維帶結構松散致使表面耐磨性較差的問題，對原始的碳纖維帶表面進行包覆處理，在不影響其柔韌性的同時，提高表面的耐磨性，使碳纖維編織束之間加強固定［8］。選擇使用雙組分水性聚氨酯對碳纖維表面進行包覆［9］。首先將調配好的液態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，放置在室內使其自然晾干，待水性聚氨酯固化之后利用掃描電鏡對表面處理之后的碳纖維進行掃描，掃描結果如圖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整體，提高了碳纖維表面的耐磨性同時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

最后將經過聚氨酯包覆處理的碳纖維編織帶作為滾筒式提升機構的柔性提升帶，安裝固定在提升機構上，經過20余萬個提升循環，碳纖維表面只出現輕微磨損。碳纖維帶的邊緣因為安裝前裁剪導致少量纖維絲裸露，經過提升機構多次的循環動作，提升帶邊緣出現少量毛邊，但未影響提升機構動作。綜上所述，使用表面處理之后的碳纖維材料充當雙滾桶式提升機構的柔性提升帶滿足實際工作要求。如圖12所示，為提升機構在測溫機器人上的安裝位置。

圖12 提升機構位置Fig.12 Position of Lifting Mechanism

5 總結

針對焦爐測溫機器人的功能需求，設計了焦爐爐蓋提升機構，通過有限元分析不銹鋼材質的柔性提升帶在與滾筒連接處的受力特性，驗證固定方式的可行性。

根據柔性提升帶在提升軸滾筒連接處的受力特性分析結果，選用普通碳纖維材質的提升帶進行試驗，試驗過程發現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，組織結構變散的問題。

使用掃描電鏡對普通碳纖維編織結構進行觀測，分析其作為柔性提升帶耐磨性差和結果松散的原因。

對碳纖維表面使用水性聚氨酯進行包覆處理，使用掃描電鏡觀察包覆之后碳纖維編織結構，結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構成為一個整體，對處理后的碳纖維帶進行提升試驗，試驗結果表明雙滾桶式提升機構使用表面包覆處理的碳纖維提升帶工作10萬多次次之后，碳纖維表面僅出現輕微的磨損，編織結構相對緊湊，完全滿足提升需求。提升機構整體設計方案可行。