（机械工程专业论文）高炉液压泥炮旋转机构设计优化.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着世界各国炼铁高炉设备的不断发展更新，液压泥炮如今已完全替代了电动泥炮 成为高炉炉前的重要设备。目前，我国各铁厂高炉设备主要使用p w 型、i h i 型、m h g 型、b g 型和d d s 型五种液压泥炮。与以前高炉设备使用的电动泥炮相比，液压泥炮具 有打泥推力大，打泥致密，压紧力稳定，结构紧凑，便于操作，更好地适应高炉高压等 优点。 论文首先通过描述高炉堵铁口专用设备泥炮的发展历程，介绍了各种类型泥炮的 基本结构，工作原理及优缺点。本文以d d s 型液压泥炮为例，通过从打泥机构，压炮 装置，旋转装置三个方面进行了全方面的计算设计分析。通过以d d s 型液压泥炮转炮 油缸的结构组成，对液压密封及液压密封失效进行了全方面分析。最后通过我厂制造的 液压泥炮在炼铁高炉上的实际使用情况现状调查、原因分析，为确保炼铁高炉液压泥泡 使用寿命更长，同时降低生产制造成本，确定了加大油缸缸筒内径、改进密封形式、配 合制作相关工件的总体方案，介绍了现状调查、原因分析和设计的全过程。所完成的改 进型d d s 型液压泥炮样机在生产厂和高炉炉前分别完成了试验工作。实际使用证明，本 文所完成的研究工作对高炉泥炮长寿命设计优化和持续改进有一定的参考意义。 关键词：液压泥炮；结构；原理；密封；失效；分析；设计：优化 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 b f g u n n e r l i f ed e s i g no p t i m i l a t i o no f h y d r a u l i cc e m e n t a b s t r a c t a st h ew o r l d s i r o n s m e l t i n g f u r n a c e e q u i p m e n t ，h y d r a u l i cm u dg u nd e v e l o p s c o n t i n u o u s l y ，i th a sr 印l a c e d e l e c t r i cm u d g u nc o m p l e t e l y ，a n db e c o m eo n ei m p o r t a n tb l a s t f u r n a c ee q u i p m e n t a tp r e s e n t ，t h e r ea r ef i v ek i n d so f h y d r a u l i cm u dg u n st ob eu s e da sb l a s t e q m p m e n ti nc h i n a ，p wt y p e ，i h it y p e ，m h gt y p e ，b gt y p ea n dd d st y p e c o m p a r e dw i t h e l e c t r i cm u dg u n ，h y d r a u l i cm u dg u nh a sm a n yb e n e f i t s ，s u c h 邪t h r u s tm o r em u d ，b es t a b l e c l a m p i n gf o r c e ，c o m p a c ti ns t r u c t u r e ，e a s eo f h a n d l i n ga n dm o r ea d a p t a b l et ob fa n dh p f i r s t l y ，b yd e s c r i b i n gt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo f m u dg u nw h i c hi ss p e c i a le q u i p m e n tt o t a p h o l ep l u g g i n gi nb f ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb a s i cs t r u c t u r e ，t r a c e r t ，m e r i ta n d d e m e r i to f v a r i o u sm u dg u n 。i nt h i sp a p e r ，i tt a k e sd d st y p eh y d r a u l i cm u dg u nf o re x a m p l e ，c a l c u l a t e a n da n a l y z et h r o u g h p l a y i n gm u db o d y ，p r e s s u r eg u n d e v i c ea n dr o t a t i n gd e v i c e 。b yt h eg u n t u r n c y l i n d e rc o m p o s i t i o no fd d st y p eh y d r a u l i cm u d g u n ，i ta n a l y z e sh y d r a u l i cs e a l sa n d h y d r a u l i cs e a lf a i l u r e 。f i n a l l y ，b ys u r v e y i n gc u r r e n t s i t u a t i o na n da n a l y z i n gr e a s o n ，w e i n c r e a s ec y l i n d e rd i a m e t e r ，i m p r o v es e a lt y p ea n dm a k eo v e r a l lp r o g r a m ，f o re x t e n d i n gl i f e a n dl o w i n gc o s t ，i n c l u d i n gt h ew h o l ep r o c e s so fs t a t u ss u r v e y ，a n a l y s i sa n dd e s i g n t h e i m p r o v e dp r o t o t y p eo fd d st y p eh y d r a u l i cm u dg u n h a sf i n i s h e dt e s ti nm a n u f a c t u r e ra n d b l a s tf u m a c e 。i ti m p r o v e st h a tt h er e s e a r c hw o r kw h i c ht h i sp a p e rf i n i s h e dr e f e r st ob fm u d g u n h y d r a u l i cr o t a r ym e c h a n i s md e s i g no p t i m i z a t i o na n di m p m v e m e n tc o n t i n u o u s l y k e yw o r d s t h y d r a u l i cm u dg u n ；o r g a nf o rs t r i k i n gc l a y ) s t r u c t u r e ；p r i n c i p l e ) s e a l ) e x p i r a t i o n ；a n a l y s i s ；a n a l y s e ；d e s i g n ；o p t i m i z a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盍垂逮压温鱼垫挚煎j 鱼! 监一 作者签名：耷l 墼日期：斗年生月。l 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 高炉液压泥炮的发展 随着世界各国炼铁高炉设备的不断更新换代，用于堵塞高炉出铁口的电动泥炮逐渐 被液压泥炮所取代，这是由于液压泥炮具有打泥推力大，动作灵活，操作方便等优势。我 国从改革开放以来，在新建的一些高炉中也引进一批国外不同类型的液压泥炮。但为了 尽快改变我国高炉炉前设备落后状况，制造适合我国现有高炉条件能代替电动泥炮的液 压泥炮，成为重要课题和紧迫任务。在此形势下，北京钢铁学院( 后改名为北京科技大学) 等单位从一九八三年就开始调研和设计。而为了推动液压泥炮的研制，并使其能迅速转 入实际应用，在冶金部机动司和科研司的组织下，由北京钢铁学院、鞍山钢铁集团公司、 西安冶金机械厂、北京冶金液压机械厂、攀枝花钢铁公司、包头钢铁公司等单位组成从 科研设计、制造到使用的“一条龙研制联合体。联合体集中了主管部门、科研院校、 制造厂家及使用单位的智慧，发挥了各方面的作用和积极性，使整个研制应用工作进展 迅速。设计定型的b g 3 0 0 型液压泥炮于一九八五年六月制成，于十一月十五日起在攀枝 花钢铁公司二号高炉上投入使用。使用效果达到预期的设计目的，又于一九八六年四月 在攀钢现场通过了冶金部组织的技术鉴定，至此我国各大型冶金机械加工厂开始投入批 量生产【。 1 2 选题背景及意义 液压泥炮是高炉出铁后，将炮泥压出堵住出铁口的设备，液压泥炮既要堵满很长的 出铁孔通道，又要修补炉内前墙，同时炮嘴要有合理的运行轨迹。随着高炉高压操作和高 炉大型化的发展，无水炮泥的应用，泥炮从最早期的蒸汽泥炮发展到电动泥炮以及目前 广泛使用的液压泥炮。由于液压泥炮具备了很大的推力和容量，同时又便于炉前风口操 作，运行安全可靠，因此液压泥炮得到了广泛的推广【2 j 。液压泥炮的类型很多，为了获得炉 前风口的完整性，液压泥炮的设计高度已经逐渐减小，国内外典型的矮式液压泥炮有p w 型、m h g 型、i h i 型、b g 型和d d s 型。我厂主要生产产品为d d s 型液压泥炮，由于铁厂 特殊的生产环境，液压泥炮的质量及上线时间至关重要。液压泥炮在高炉使用寿命上的 好坏，将直接影响能否保证铁口正常除铁运行，而与液压泥炮寿命息息相关的是其油缸 的结构组成和密封装置是否完好。 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 由于我厂承制的液压泥炮广泛应用于鞍钢、本钢等各大铁厂，2 0 0 8 年鞍钢铁厂液压 泥炮下线率较高，其回转油缸部分漏油是主要的原因。因此，提高转炮回转油缸的技术 工艺改造和改进液压缸密封形式变得尤为重要。 1 3 研制开发主要内容 通过对d d s 型液压泥炮的打泥机构、压炮装置、旋转装置的计算分析以及回转油缸 的结构组成，并根据液压密封原理，结合我厂2 0 0 8 年泥炮非正常下线率较高的实际情况， 分析出转炮回转油缸漏油严重的原因。本文将着手回转油缸的内部形式和液压缸的内部 密封技术改造。由于长时间使用的油缸的间隙过大，导致油缸时常内泄漏油。因此我厂 重新设计了油缸的扩大尺寸，同时改造液压缸活塞密封。通过从铁厂今年改造后泥炮的 实际上线使用情况来看，不仅提高了液压泥炮的质量，延长了泥炮上线的使用寿命，而且 降低了生产制造成本，使我厂的液压泥炮有了更高的技术和质量飞跃。 1 4 文献综述 本文主要参考的文献资料有吕和平著的液压泥炮机构的设计计算、朱允言和高 泽标著的液压泥炮旋转机构的参数分析、刘美仙攥写的浅谈液压系统中的密封装 置。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 泥炮结构及工作原理简介 现代高炉堵出铁口采用专门的设备一泥炮进行。由于高炉的大型化和高压化，在设 置泥炮时应满足下列要求： ( 1 ) 泥炮的泥缸应有足够的容量，储泥量应能保证一次堵住出铁口； ( 2 ) 泥缸活塞应有足够的推力，以克服堵口泥受到的最大阻力，将泥分布在炉缸 内壁上； ( 3 ) 炮嘴应有一定的运动轨迹，在进入出铁口泥套时应沿直线运动，避免损坏泥 套，在工作位置上应有一定的倾角； ( 4 ) 工作安全可靠，并可进行远距离操纵。 根据驱动方式，泥炮可分为气动式、电动式和液压式三种。气动泥炮由于活塞推力 小，工作不稳定而被淘汰。 2 1电动泥炮 电动泥炮有丝杠移动式和螺母移动式两种。图2 1 为国1 为2 5 5 m 3 以上高炉广泛使用的 丝杆移动丽带动活塞移动的电动泥炮。其主要机构有：打泥机构l 、压紧机构2 、回转机 构3 和锁紧机构4 【3 1 。 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 2 1 1打泥机构 图2 1 电动泥炮总图 f i g2 1 e l e c t r i cm u dg u ng e n e r a lp l a n 打泥机构如图2 2 所示，它由电动机1 通过极限限力矩联轴节2 和轴3 相连。齿轮 4 固定在轴3 上，它通过两组空套在轴上的双联齿轮5 和1 0 将运动传给齿轮9 ，而齿轮 9 装在与丝杠配合的铜螺母7 上，由螺母转动而带动丝杠6 和活塞8 作往复运动，完成 打泥动作。图中齿轮1 1 用于测量活塞行程【4 】。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 2 电动泥炮的打泥机构 f i g2 2p l a y i n gm u db o d yo fe l e c t r i cm u d g u n 2 1 2 压紧机构 压紧机构的作用是使泥炮的炮嘴按一定的角度插入出铁口，并使泥炮在堵出铁口 时，把泥炮的炮嘴压紧在出铁口的泥套上。 压紧机构( 图2 3 ) 由炮架1 、小车2 ，带有丝杠4 的锥齿轮传动3 ，极限力矩联轴节5 和电动机6 组成。炮身刚性地吊挂在小车2 上。 炮架1 上开有导向槽7 ，小车2 的走行轮8 通过螺母沿此导向槽运行，以保证泥炮的炮 嘴沿所需的倾角插入出铁口。 压紧动作由电动机6 经极限力矩联轴节5 和锥齿轮传动3 使具有梯形螺纹的丝杠4 转动，带动固定于小车2 前轮轴上的螺母作往复运动，从而将带着炮身的小车2 推向或 离开出铁口。 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 图2 3 电动泥炮的压紧机构 f i g2 3p r e s s e db o d i e so f e l e c t r i cm u dg u n 2 1 3 锁紧机构 当炮架回转到靠近出铁口时，需将炮架连同炮身锁在炉皮的钩座内，以补充压紧机 构由于压紧力不足，从而避免推泥反力过大而造成跑泥现象。 锁炮时( 图2 3 ) ，利用前端斜面作用，碰上自动挂钩。当堵口完毕时，用电磁铁1 0 将钩子9 提起，然后将炮身转离出铁口【5 1 。 2 1 4 回转机构 堵出铁口时，由回转机构将悬挂在它上面的打泥机构和压紧机构等准确地旋转至出 铁口，泥炮的回转运动由电动机通过蜗轮、蜗杆传动，使带有悬臂的空心圆柱绕固定立 柱旋转。 我国第一重机厂为适应大型高炉的需要，设计制造了推力为2 1 2 t 的螺母作往复运动 的电动泥炮( 图2 4 ) 。这种泥炮的特点是，对打泥机构作了较大的改进。它由泥缸1 ， 内部有固定螺母3 的柱塞2 、减速器4 、旋转丝杆5 和电动机6 组成。当丝杆旋转时， 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 螺母和柱塞作往复运动。这种泥炮的其它机构与丝杆移动式电动泥炮相似。该结构特点 是采用适当减小泥缸直径来降低打泥速度，以获得较高的活塞压力( 达7 8 5 m p a ) ，而 打泥机构的电动机功率仅为4 0 k w 。 电动泥炮能满足生产要求，但实际使用中还存在下列问题：外型尺寸大，特别是 高度太高，使出铁口附近的风口更换困难；打泥活塞推力不足，特别是采用无水炮泥 时；丝杠及螺母磨损快、更换困难等 6 1 。因此，近年来国内外液压泥炮得到了广泛应 用。 图2 4 螺母作往复运动的电动泥炮 f i g2 4n u tf o rr e c i p r o c a t i n gm o t i o no fe l e c t r i cm u d g u n 2 2 液压泥炮 液压泥炮与电动泥炮相比具有以下优点：打泥推力大，打泥致密，能适应高炉高压 操作；压紧力稳定，使炮嘴与泥套压紧可靠，不易漏泥；结构紧凑，高度小，便于操作 等。液压泥炮存在的主要问题是：需要有承受高压的液压元件，并且制造精度要求高等。 国内设计的第一台液压泥炮是在电动泥炮的基础上经过改造而成的，即将原有用电 动机、电磁铁驱动的四个动作改为由液压油缸驱动，由于其它部件没有多大变化，故也 称为液压高炮。这种泥炮仍存在泥炮的高度高，不能在风口平台下面操作，而且回转机 构的油缸易磨损等问题1 7 j 。 液压泥炮在国外也得到了迅速地发展，目前比较有代表性的液压泥炮有m h g 型、i h i 型、p w 型、b g 型和d d s 型。这里着重介绍m h g 型液压泥炮。 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 2 2 1 刚型泥炮 p w 型液压泥炮是卢森堡设计的，它由打泥机构、回转机构和液压系统组成，压炮和 锁紧机构由回转机构代替。如图2 5 所示，它采用了独特的倾斜固定支柱，转动时由四 杆系统调整炮嘴的水平位置，回转机构是四杆机构，采用液压缸驱动，密封性能好，其 不足之处是炮嘴的运行轨迹离铁沟太近，油缸外露，占地空间较大引。 ? 圭4 - - - - 4 l - 。_ - 。p 。一一 图2 5p w 型泥炮外形结构示意图 f i g2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fp wt y p eh y d r a u l i cm u dg u ns h a p e 2 2 2川i 型泥炮 i h i 型液压泥炮是由日本石川岛播磨公司研制的，它是由打泥机构、压炮机构、回 转机构、锁紧机构和液压系统组成。如图2 6 所示，其回转机构采用了油马达驱动，由 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 独立的锁紧装置锁紧，压炮机构用杆件系统实现，它的压炮轨迹可以迅速实现下降或抬 起，接近铁钩时间很短，不宜烧坏炮嘴并且高度较小，但是，结构台复杂，回转机构采 用液压马达驱动，密封性能较差1 9 1 。 图2 6i h i 型泥炮外形结构示意图 f i g2 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f l h it y p em u d g u ns h a p e 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 2 2 3m h g 型液压泥炮 m h g 型液压泥炮是由日本三菱重工公司设计制造的。其结构如图2 7 所示，由打泥机 构l 、压紧机构2 、回转机构3 、锁紧装置4 和液压装置5 组成。我国宝钢l 号高炉就采用了 这种液压泥炮【1 0 1 。 ! = - 声 了 一 广j、 a t 。 图2 7m h g 型液压泥炮外形结构示意图 f i g2 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fm h gt y p eh y d r a u l i cm u dg u ns h a p e 打泥机构( 图2 8 ) 的结构特点是打泥油缸采用了固定式活塞和可动式油缸带动泥缸 活塞移动，将炮泥由炮嘴压入出铁口。 4 图2 。8m h g 型液压泥炮打泥机构结构示意图 l 一炮嘴；2 一过渡管；3 一泥缸外筒；4 一泥缸内筒：5 一油缸外壳； 6 一后进油孔；7 一前进油孔；8 一油缸冷却箱：9 一排泥孔：1 0 一泥缸冷却箱 f i g2 8p l a y i n gm u db o d yd i a g r a mo fm h gt y p eh y d r a u l i cm u dg u n 大连理工大学专业学位硕士学位论文 压紧机构( 图2 9 ) 由压炮油缸1 、主动摆杆2 、压炮摇杆3 和吊挂摇杆4 组成。炮身前 端通过两个支点由吊挂摇杆4 f f j 挂在旋转框架上，炮身后端与压炮摇杆3 铰接，旋转框架 为固定杆，故炮身为连杆组成的双摇杆机构1 1 1 。 图2 9 姗g 型泥炮压紧机构示意图 卜压炮液压缸；2 一摆杆；3 一压炮摇杆；4 一吊持摇杆 f i g2 9p r e s s e db o d yd i a g r a mo fm h gt y p em u dg u n 当压炮油缸的活塞杆收缩时，带动摆杆2 和压炮摇杆3 同步摆动，压炮摇杆带动炮身 向前运动，并使炮身倾斜，炮嘴按设计轨迹压紧出铁口。 回转机构( 图2 1 0 ) 由带有减速器的油马达1 、小齿轮2 、底座3 、推力轴承4 、大齿 圈5 、轴承紧固圈6 和旋转框架7 组成。油马达固定在旋转框架上。大齿圈固定在底座上， 作为推力轴承的活圈。大齿轮的轮毂固定在旋转框架上，作为推力轴承的紧圈。当油马 达带动小齿轮旋转时，小齿轮在大齿轮的齿圈上滚动，而大齿轮的轮毂随同旋转框架一 起转动。 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 6 1 0 图2 1 0m h g 型泥炮回转机构示意图 卜油马达；2 一小齿轮；3 一底座；4 一推力轴承；5 一大齿圈； 6 一轴承紧圈；7 一旋转框架；8 一中心接头：9 一极限开关；1 0 一中心接头锁紧杆 f i g 2 10s c h e m a t i cd i a g r a mo fm h g t y p em u dg u nr o t a r y 回转机构的油管是从旋转框架中心引入的，为连接油管，在回转机构的中心处设有 回转接头( 图2 1 1 ) 。回转接头的外套与旋转框架连接，内套是固定的，因此外套与旋 转框架一起转动。中间通有液压油路的接口，以进行油路分配。回转接头外套上部装有 随外套一起转动的两个限位开关。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 1 l 中心回转接头 卜旋转外套；2 一轴承；3 一固定内套；4 一锁紧螺母 f i g2 11c e n t e rs w i v e lj a i n t s 锁紧装置( 图2 1 2 ) 由脱钩液压缸1 、弹簧2 、钩座5 和锚钩4 组成。脱钩液压缸和锚 钩固定在旋转框架上，钩座固定在基础上。 图2 1 2m t t g 型泥炮锁紧装置示意图 卜液压缸；2 一弹簧；3 一限位开关；4 一锚钩；5 一钩座；6 一手动脱钩杆 f i g2 12l o c k i n gd e v i c es c h e m a t i co fm h gt y p em u d g u n 一1 3 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 当泥炮旋转到出铁口位置时，锚钩借钩头的弧形面由钩座将锚钩抬起，待钩头越过 钩座后，就自动钩住钩座。打泥和压炮的反作用力通过锚钩传到基础，脱钩由液压缸来 完成。发生意外情况时，可用手动脱钩杆6 来脱钩，以保护液压缸不受破坏。 这种泥炮的泥缸由外筒和内筒两部分组成，内通空气冷却。在炮身的底部装有防热 板和冷却箱。因此，冷却和隔热保护措施比较完备。此外，由于锚钩座安装在基础上， 因此，打泥时的反力通过锁炮装置传到地基上，而高炉炉皮不受力。压紧机构采用连杆 结构简单。生产实践表明，这种泥炮工作可靠，性能良好。其不足之处是泥炮外形尺寸 较大，中心回转接头结构复杂，回转机构滚动轴承尺寸大、制造成本高。m h g 泥炮的 主要技术特性见表2 1 所示。 表2 1 瑚g 型泥炮主要技术特性 t a b l e2 1m a i nt e c h n i cc h a r a c t e r i s t i co fm h g s t y l em u dg u n 掣号 mt t ；s 3 f m l “j s 3 0、l h l ：6 4 最人手j 泥推力k j 、3 0 m3 4 0 ( ) 抛躲内 圣- m m能o 5 4 06 s o 轧 泷摩砖斑泥豚力粥p a1 6 71 4 81 8 3 溅 漓豁内径n i m3 5 03 5 04 7 0 装 霞 油盏【程m m 1 3 1 5 5 01 2 l o 抛缸订敛容移 m ， o 2 5o 3 6o 4 炮嘴甑住r a m 1 6 01 8 02 0 0 】作油胍打耗油玉f3 l3 53 5 m 孙琢炮油缸2 52 s2 5 液 隘旋转涵吗选1 41 42 5 站 供油艟柱摩裂1 5 0 1 5 0 i5 l n t l n 叶j 裂4 34 31 3 34 - 5 2 l f 滗全行弱s4 5 5 04 0 动 佟 颧劝球炮a444 髓 f u j 旋转1 4 0 s1 31 31 3 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 2 4b g 型液压泥炮 b g 型液压泥炮( 图2 1 3 ) 是国内新研制的泥炮，它综合了现有泥炮的优点。b g 型液压泥炮由打泥机构、压炮机构、回转机构、锁紧机构和液压系统等组成。b g 型泥 炮与国内外的液压泥炮比较，具有结构新颖紧凑、重量轻、高度小和工作可靠等优点。 ( 1 ) 打泥机构 b g 型泥炮的打泥机构与m h g 型泥炮的打泥机构基本相同。 图2 1 3b g 型液压矮泥炮 卜炮身；2 一冷却板；3 一走行轮；4 - 1 1 形框架：5 一压炮油缸；6 一转臂； 7 一机座；8 一回转油缸；9 一炮嘴；1 0 一泥套；1 1 一导向槽；1 2 一固定轴 f i g 2 13b gt y p eh y d r a u l i cd w a r fm u dg u n ( 2 ) 压炮机构 b g 型泥炮压紧机构与原有电动泥炮的压紧机构相比较作了很大改进，由两液压缸5 驱动车轮在导向槽内运动，使炮身在前进时，能满足炮身倾角和炮嘴直线运动的要求， 对准出铁口。当炮身后退到极限位置时，处于水平状态。带有导向槽1 l 的门形框架4 与 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 转臂6 刚性连接，导向槽1 1 的角度是固定的，但炮身1 和走行轮3 是用螺栓和斜楔连接， 这不但使整体更换炮身和车轮比较方便而且能通过调整垫片调节炮身的倾斜角度。 ( 3 ) 回转机构 b g 型泥炮回转机构( 图2 1 4 ) 采用活塞式油缸8 和连杆机构使转臂6 旋转，回转油缸 8 的活塞杆端部铰接在机座7 上，油缸工作时，通过连杆机构使转臂绕固定轴1 2 回转。固 定轴装在框架式机座中。 1 矮1 _ 蚤。u i i y 磴 8 一， 口n 一一o 一一1 一v o u 一1 6 图2 1 4b g 型泥炮回转机构简图 卜炮身；2 一冷却板；3 一走行轮：4 - r u 形框架；5 一压炮油缸； 6 一转臂；7 一机座；8 一回转油缸；9 一炮嘴；1 0 - 泥套；1 1 - 导向槽；1 2 - 固定轴 f i g2 14s c h e m a t i cd i a g r a mo fb gt y p em u dg u nr o t a r y b g 型泥炮与其它液压泥炮相比较，其优点为：外形尺寸小，车轮装在炮身上， 使泥炮的总高度降低为1 7 6 2 衄低于m h g 泥炮和其它液压泥炮，可安装在风口平台下面， 为机械化更换风口创造了条件。与滑道式和曲柄连杆式压炮机构比较，不但结构简化， 而且解决了滑道磨损快和阻力大的问题；回转机构采用活塞式油缸和连杆机构，取消 了m h g 型泥炮的油马达和大型轴承，使制造方便。安装固定轴的框架刚性大，并使回 转机构的高度降低，回转油缸以补压的方法保证打泥时炮嘴压紧在出铁口泥套中，因此 可取消现有泥炮的锁紧机构【l 2 1 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 。2 5d o s 型液压泥炮 d d s 型液压泥炮由德国d d s 公司设计制造，其结构和外形示意图如图2 1 5 。它由 打泥机构、回转机构和液压系统组成，压炮和锁紧机构由回转机构所代替【1 3 1 。 图2 1 5d d s 型泥炮结构和外形示意图 f i g2 15 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd d st y p em u dg u ns t r u c t u r ea n ds h a p e 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 d d s 型液压泥炮的设计类同于p w 型泥炮，其不同之处在于回转油缸放置于回 转臂内部，如图2 1 6 所示。 图2 1 6d d s 型液压泥炮外形示意简图 f i g2 16d i a g r a m m a t i ci l l u s t r a t i o no fd d st y p eh y d r a u l i cm u dg u ns h a p e d d s 型液压泥炮也采用了独特的倾斜固定支柱，转动时由四杆系统调整炮嘴的水 平位置，回转机构由双四杆机构组成，如图2 1 7 所示，采用油缸驱动，密封性能好，由 于油缸置于转臂内，占地空间较小，结构紧凑，其不足之处是炮嘴的运行轨迹离铁沟太 近，回转角略小。 图2 1 7d d s 型液压泥炮回转机构原理图 f i g2 17s l e w i n gm e c h a n i s ms c h e m a t i co f d d st y p eh y d r a u l i cm u dg u n 大连理工大学专业学位硕士学位论文 其动作原理是由两个往复式活塞油缸完成旋转、压跑、炮身倾斜、打泥等各种操作。 它没有专门的压炮机构和锚钩装置，依靠旋转机构使炮嘴压紧出铁口泥套。为了使炮身 在压炮状态保持一定的倾斜度，炮身在离开出铁口反向旋转时又不致碰到铁沟沟帮，泥 炮旋转时的旋转轴是倾斜的。当炮嘴靠近出铁口时，依靠四杆机构使炮嘴接近水平位置。 主要技术性能如表2 2 表2 2 鞍钢用d d s 型泥炮的主要技术性能 t a b l e 2 2a n s h a ni r o na n ds t e e l - t y p ec l a yg u nw i t ht h ed d sm a i nt e c h n i c a lp e r f o r m a n c e 型式打泥油缸行程，1 1 1 1 i l 1 2 7 0 n h 2 5 0 13 0 h z 打泥时闻，s 5 3 泥缸直径，i n t o 5 0 0 泥炮旋转角度，( 。) 最大1 2 5 泥塞对炮泥的压力，m p a1 6 旋转半径，m m 打泥量，l ，s 4 7 压炮力，k n 2 8 0 炮嘴直径，n - l l n 1 5 0 吐泥速度，m i i 以 2 6 6 2 3 结语 综上所述，p w 型、m h g 型、i h i 型、b g 型和d d s 型液压泥炮是现代大型高炉采用的泥 炮，而d d s 型液压泥炮吸取了很多优点，其优化的结构设计是：打泥机构采用活塞杆固 定，液压缸缸体运动，避免了泄漏炮泥磨损活塞杆和密封件，炮嘴前端局部使用了铸 铁材料，使铸铁的炮嘴口耐冲刷，提高了使用寿命，打泥深度采用螺旋键转换成刻度 盘上来显示。如回转机构采用液压马达驱动时不能自锁，需要设置锁紧机构进行锁紧。 d d s 型液压泥炮的回转机构采用油缸驱动，可以自锁，因此可省去锁紧机构，使机构得 以简化。 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 3 d d s 型液压泥炮的设计 3 1打泥机构的计算 泥炮最主要的两个参数是泥缸有效容积和泥塞对炮泥的单位压力。泥缸有效容积应 保证一次能打入足够的炮泥量，能有效地堵塞出铁口通道和修补炉缸前墙。泥塞对炮泥 的单位压力应能保证炮泥在泥缸和过渡管中受到压力损失后，挤出的炮泥仍能克服炉缸 内和出铁口通道中的阻力，将炮泥顺利打入出铁口。 原电动泥炮泥缸的有效容积是考虑一次堵口失败时不用加泥就可以再次进行堵口 操作的，因此普遍偏大。 打泥能力应以泥塞上炮泥的单位压力来表示。当采用有水炮泥时，对于1 0 0 0 1 5 0 0 m 3 的高压操作高炉，一般炮嘴出口处的炮泥压力应达到4 m p a ，泥缸和过渡管中的压力损 失为1 m p a ，故泥塞处的单位压力为5 m p a 。随着无水炮泥的推广，若泥炮使用无水炮 泥，则设计时取炮嘴出1 ：3 处的压力为6 1 0 m p a ，泥炮和过渡管中的损失为3 - 4 m p a 1 4 j 。 3 1 1 泥缸直径和油缸的计算 油缸直径环和泥缸直径皿的关系式为： 岛= 昂，肌 ( 3 - 1 ) 式中层泥塞对炮泥的单位压力，m p a ； 昂油缸的工作油压，m p a 。 工作油压r 愈高，泥炮的结构愈紧凑，考虑国内液压元件的供应配套情况，用于大 高炉的d d s 泥炮取只为2 5 m p a 。 3 1 2 油缸有效行程l 1 的计算 厶= 羔，聊 ( 3 - 2 ) 式中k 泥缸有效容积，m 3 ； n 一泥缸直径，m 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 1 3 打泥推力p 的计算 尸= a 孚1 0 3 , k n 、p = 岛孚1 0 3 , k n 3 ) 在计算打泥机构主要零件的强度和计算活塞杆受压的稳定性时，应以此处计算出的 实际最大推力为依据。 3 1 4 泥塞移动速度v 1 的计算 h = 等m s ( 3 - 4 ) 式中f - 打泥时间，一般取4 0 6 0 s 。 炮嘴吐泥速度v 为： 吃= 簪刚j ( 3 5 ) 式中及一炮嘴出口处内径，m 一般吐泥速度以0 2 m s 为宜。由于油缸中的流量可以通过节流阀进行调节，故泥炮 的吐泥速度也是可调节的。 3 2 压炮装置的计算 压炮力的大小应考虑因泥缸活塞打泥过程中炮泥对炮嘴产生的反作用力，因而炮嘴 和泥套之间仍有一定压紧力，以保证打泥时炮泥不从炮嘴和泥套之间漏出。因此，压炮 力的计算式为： 尸= 咒+ k ，k n ( 3 - 6 ) 式中d ，炮嘴内径，m ； 只炮嘴出口处的炮泥压力，m p a 。( 3 7 ) 最小压紧力昂是出现最大打泥反力时，炮嘴对泥套的剩余压炮力，一般在2 0 3 0 k n 。 根据压炮力可计算压炮油缸直径并由经过修正后的油缸直径再计算实际最大压炮力。 3 3 旋转装置的计算 d d s 型液压泥炮旋转机构计算简图如图3 1 所示。当活塞式往复油缸5 带动v 形杆 0 2 点旋转时，连杆3 使泥炮转臂2 绕o l 点旋转。 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 3 3 1 旋转装置油缸活塞杆的受力分析 由于d d s 型泥炮没有锚钩装置，所以压炮时的压炮反力将通过相应的杆件和旋转 油缸活塞杆的最大受力发生在压炮时，泥炮在打泥过程中，虽然增加了对炮身的打泥反 力，但炮嘴与泥套间的压紧力以与打泥反力相同的数量减少，所以，活塞杆的受力在打 泥前和打泥过程中是不变的【1 5 】。 如忽略杆件锁轴的摩擦阻力，压炮时杆件3 的受力只可由下式求出( 图3 2 ) ： 只：p c o s 6 l( 3 8 ) ，一一 i j 。o ， 。 r c o s 臼 式中尸一压炮力； 万一压炮时炮身与水平面所形成的倾角； r 臂架同杆3 铰接点至回转点0 1 的距离； 三转臂长度； 口在压炮位置时杆件3 的位置角。 出 图3 1 旋转机构计算简图( 一) 1 一炮身；2 一转臂；3 一连杆；4 一v 形杆；5 一油缸；6 一油缸活塞杆 f i g3 1c a l c u l a t i o nd i a g r a mo fr o t a t i n gb o d i e s ( a ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图3 2 计算简图( 二) 卜炮身；2 一转臂；3 一连杆 f i g3 2c a l c u l a t i o nd i a g r a m ( b ) 由图3 3 可得到活塞杆受力咒为： 最= 詈 ( 3 - 9 ) 式中的门和q 分别为见和p 6 到回转点0 2 的力臂，上式中也忽略了销轴的摩擦阻力。 由图3 3 可见： 图3 3 计算简图( 三) f i g3 3c a l c u l a t i o nd i a g r a m ( c ) 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 刀= p c o s 0 + ( r c ) c o s 0 q = 【( b + c ) 一( p + d ) 增矽】c o s 矽 其中c o s 矽2 万蓊w 丽+ d( 形+ d ) 2 + ( b 一丁) 2 b 一丁 s 1 n 口= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 。 ( + d ) 2 + ( b 一丁) 2 得q ：堕g 坠篓丝掣 4 ( w + d ) 2 + ( b 一丁) 2 只= e ( 3 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) es i n l 0 + 溉( r - 而c ) 五c o s o而x(瓦w+丽d)2矿+(b-t)z ( 3 15 ) ( b + c ) ( 矿+ d ) 一0 + d ) ( b 一丁) 实际计算时，应计入铰链点处的摩擦阻力，可用杆机构总效率来考虑。总效率可取 o 8 0 8 5 。 3 3 2 旋转油缸行程的计算 当泥炮达到最大旋转角1 6 0 。所需的油缸行程及转臂在其间的任一位置时，旋转油 缸活塞杆的行程均可用图解法较方便地得到。当要对旋转杆机构的参数进行优化分析和 要得到转臂过程中的速度变化曲线时，就必须导出油缸行程的数学表达式。 当泥炮的转臂转过角度口时，v 形杆轩过一个相应的角度，在推导和口的关系 式时，取v 形杆的回转点0 。为坐标原点( 图3 4 ) ，则 图3 4 计算简图( 四) f i g 3 4c a l c u l a t i o nd i a g r a m ( d ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 = r s i n a + e 4 = r c o s l 2 一c 色= h s i n ( y + f 1 ) b = h c o s ( r + p ) 式中h = 厄i 忑万可云瓦面万 由 ( e 一4 ) 2 + ( b - 4 ) 2 = s 2 得 ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) 【日s i n ( y + ) 一( r s i n 口+ p ) 】2 - e c o s ( r + p ) - ( ro s 口一c ) 2 - - - - - 8 2 ( 3 2 1 ) 将上式展开，移项整理后得： 2万一留lre一+cscso。sionpj一sinl、(尺。in口+rpc)o。s+ct(-rc萧一sin。1h2+jr五i2了+iei2蚕+ic：2i-is亏2亍+置2iri(ieisiiin矿ot-ccosa) ( 3 2 2 ) 在杆件3 的初始位置角秒和各杆件的长度以及回转点位置选定后，可由上式出泥炮 转臂在不同转角口时v 形杆的转角。根据v 形杆转过。根据v 形杆转过角时油 缸行程j 可由图3 5 求出。压炮状态旋转油缸与v 形杆4 的铰接点为k 。当v 形杆转过 角后，k 点移至k 位置，油缸的行程为： j = q k 一0 3 k 一q k = 历i 矛丽 图3 5 计算简图( 五) f i g 3 5c a l c u l a t i o nd i a g r a m ( e ) ( 3 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 蕊= 厄五再丽 z = 撕瓦了丽 d 3 k ，一乒五孓乏历面丽 ( 3 - 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) ( 3 - 2 7 ) 将公式( 3 - 2 4 ) 、( 3 - 2 5 ) 、( 3 2 6 ) 、( 3 2 7 ) 代入公式( 3 2 3 ) 得： j = ( 形+ j d ) 2 + ( b r ) 2 一z 2 + + d ) 2 + ( b + c ) 2 - 2 z ( p + d ) 2 + ( b + c ) 2 c o s ( 矽一) ( 3 - 2 8 ) 式中的矽可用下式求出： 一o s 一1 【- 坐盟2 2 4 篇( e 舞等业j i+ d ) 2 + ( b + c ) 2l ( 3 - 2 9 ) 当泥炮的尺寸参数一定时，可利用这些公式用计算机算出转臂在任意转角口时的油 缸活塞行程，并可画出旋转油缸等速伸长或缩短时转臂旋转速度的变化曲线，也可利用 这些关系式对旋转杆机构的参数进行优化计算。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 4 液压泥炮转炮油缸的结构 液压泥炮在高炉使用寿命上的好坏，将直接影响能否保证铁口正常出铁运行，而与 液压泥炮寿命息息相关的是其油缸的结构组成和密封装置是否完好，这里，我们以d d s 型液压泥炮为例，详细说明一下液压泥炮转炮油缸的结构。 图4 1d d s 型液压泥炮回转油缸示意图 f i g4 1r o t a r yc y l i n d e rd i a g r a mo fd d st y p eh y d r a u l i cm u d g u n 高炉液压泥炮旋转机构设计优化 簧 孓、： 7 s s s s ss 肇簟 i 、7 ” 璺 8 ， 离 要 黑 禽 藿管 管 藿 量 季 掣 r o 0 1 6 - 一心 二 、 s s 太s s 芳溯 一 一 ，兰鱼酝一一、 1 一一：，1 一l 。_ _ ， ) p 二，l 一一一一 j 三垒! 妙 、l 旦兰皇二 曼墨1 曼 8 0 8 0 图4 2d d s 型液压泥炮回转油缸缸筒示意图 f i g4 2r o t a r yc y l i n d e rt u b ed i a g r a mo f d d st y p eh y d r a