（机械设计及理论专业论文）铅铸型机用扒渣机的设计及其动力学分析.pdf

摘要在电铅精炼生产过程中，逐模扒渣是其中的一道重要工序。目前国内外的电铅生产行业中都是采用人工方式完成这道工序。由于必须近距离接触铅液，高温环境、高劳动强度、铅蒸气以及爆模飞溅严重危害了工人的健康。为解决电铅冶炼行业的上述问题，本文以扒渣作业自动化为目标，对全自动铅锭扒渣机的开发进行了较系统的研究。首先制定了扒渣机的总体设计方案，提出了平钢网滤捞铅渣的方案，设计了新型气动复合平面运动机构，通过单缸驱动实现捞网边缘水平扫掠液面，铲面斜入平出的方式捞取铅渣。扒渣动作的平稳与准确到位是该设备的关键技术问题，为确保机构在运动过程中铲端速度稳定，本文运用气动系统动力学和连杆机构运动学的方法建立了扒渣机气动系统和机构的动力学模型，并用m a t l a b 对该模型进行数值求解，然后进行扒渣运动性能试验。根据仿真和试验结果，表明气动系统机械特性软是气动扒渣机构运动性能特别是运动平稳性不佳的主要原因。针对上述问题，提出了用气液联动系统驱动的改进方案，并建立了改进后系统的动力学数学模型，经过仿真计算和试验分析，证明该方案扒渣速度平稳，特别是在低速下运动平稳速度均匀，可无级调速，能够满足实际应用要求。为确保扒渣动作准确到位，即在扒渣过程中，铲边运动轨迹逼近水平直线，铲面由斜至平平稳过渡，本文运用a d a m s 软件，用其中的试验设计功能对杆件参数进行优化，得到了更为理想的机构参数。【关键词】扒渣机，连杆机构，气动系统，平稳性，动力学a b s t r a c td r o s s - r e m o v i n gi sa ni m p o r t a n tp r o c e d u r ei nt h ep r o c e s so fe l e c t o l y t i cl e a dc a s t i n g 1 1 1 ed o m e s t i cm e t a l l u r g i c a lp l a n t su s u a l l yc o m p l e t et h ep r o c e s sb ym a n u a lo p e r a t i o nn o w a n dt h ew o r ke n v i r o n m e n tf l o o d e dw i t hl e a dv a p o rg r e a t l yh a r m e dt h eh e a l t ho ft h ed r o s s r e m o v i n gw o r k e r s t h ed r o s sr e m o v e ri sd e s i g n e dt or e s o l v et h ep r o b l e ma n dt or e a l i z ea u t o m a t i o no fd r o s s r e m o v i n gp r o c e d u r e t h er e s e a r c hp u r p o s eo ft h i sa r t i c l ei st oa c c o m p l i s ho v e r a l ld e s i g no ft h ee q u i p m e n t ，a n ds t u d yt h es t a b i l i t yo fd r o s s r e m o v i n gv e l o c i t yb yt h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a lm e t h o d s a tf i r s t 血ea r t i c l ep r o je c t st h es t r u c t u r eo ft h ed r o s sr e m o v e r , w h i c hp e r f o r mt h ed r o s s - r e m o v i n ga c t i o nb yal i n k a g et or o t a t et h es h o v e l 1 1 1 em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em e c h a n i s ms h o u l dm e e tt h ef o l l o w i n gd e m a n d s ：t h ev e l o c i t yo ft h et i po ft h es h o l v es h o u l db ec o n s t a n t ，a n dt h em o t i o nt r a c eo ft h et i ps h o u l db eas t r a i g h tl i n e t h es t u d yc o n t e n to ft h i sa r t i c l ei sa st h ef o l l o w i n g ：f i r s t t h ea r t i c l et e s t e st w ok i n do fp n e u m a t i ca c t u a t o r - - - o r d i n a r ya i rc y l i n d e ra n dt h eo i l g a sc y l i n d e r , a n db u i l dt h ed y n a m i cm o d e lo ft h ep n e u m a t i cs y s t e ma n dt h ed r o s s - r e m o v i n gm e c h a n i s m t h e ns o l u t e st h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n sb yn u m e r i c a lm e t h o d si nt h es o f t w a r eo fm a t l a b s e c o n d t h ea r t i c l et e s tt h er e s u l t so ft h em a t h e m a t i cm o d e lb yp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t so ft h ed r o s sr e m o v e ra n df i n a l l yc h o s et h eo i l - g a sc y l i n d e rb ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n dt h ed r o s s r e m o v i n gm e c h a n i s mc a ng e ts t a t i o n a r ym o t i o nb yt h i sw a y t h et h i r d ，t h ea r t i c l ef u r t h e ra n a l y z e st h ed y n a m i c sp e r f o r m a n c eo ft h em e c h a n i s mi nt h es o f t w a r eo fa d a m s a n do p t i m i z e ss e v e r a lp a r a m e t e r so ft h el i n k a g et or e a l i z eb e t t e rm o t i o nt r a c eo ft h et i po ft h es h o l v e b e c a u s et h ep n e u m a t i cl i n k a g eh a sw i d e s p r e a de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，s ot h er e s e a r c ho fi t sm o d e l i n gm e t h o dh a sw i d er e f e r e n t i a lv a l u e k e yw o r d s ：d r o s sr e m o v e r , l i n k a g e ，p n e u m a t i cs y s t e m ，s t a t i o n a r i t y ,d y n a m i c si l原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：赶日期：缉年月量日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者躲盐新签名塘丝嗍衅膛日中南人学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论扒渣作业是电铅铸型生产中的重要工序，也是工作条件最恶劣的工序之一，国内外多年来一直致力于实现扒渣作业的机械化，作了大量的研究工作与尝试。下面将相关背景与现状作了详细的介绍和分析。1 1 电铅浇注生产背景电铅生产中主要有如下工序：烧结焙烧鼓风炉熔炼烟化炉吹炼一一粗铅火法精炼电解精炼电铅铸型 2 】。电解精炼后的铅液经过铸型生产线铸造成铅锭。下面以国内某冶炼厂的电铅铸型机为例介绍目前使用的电铅铸型设备。该生产线是7o 年代从日本进口的，也是目前国内电铅铸型机中同类设备中自动化程度较高的设备之一。其结构和布局如图1 1 所示 3 。铅铸型机本体是链传动结构形式，铸模安装在链带4 的链板上，并随链带一起运转。图1 - 1 电铅铸型机平面示意图1 、电动机2 、二次减速机3 、链轮4 、链条5 、铅模6 、码堆台7 、输送带8 、熔铅锅9 、铅泵1 0 、保温箱1 1 、受锭台1 2 、手工扒渣位置铸型生产线的工艺过程如下：输铅泵将熔铅锅内熔化的电铅铅液抽入保温箱内，作好浇铸准备，多余的铅液从保温箱溢流口回流到熔铅锅里。驱动电机带动一次减速机一二次减速机一链轮一链条。铅模按图1 1 中箭头方向匀速运动，当铅模位置合适时，浇铸油缸活塞杆抬起，进行浇铸。然后由工人手动捞除铸模液面上方的铅渣。该生产线其余全部工序均已实现自动化，唯独扒渣工作仍由人工作业。铸好的铅锭被传送到受锭台处，电磁锤将模子内的铅锭振下，p 南人学硕士学托论文第章绪论落在受锭台卜，同层满5 块后码堆台上引，接住铅锭，推锭堆装疑将铅锭推送到输送带上。这样完成了一捆电铅的生产。电铅铸型机的主要技术参数如fi 乜 _ 髓j f 4 桃1 拦 求棼毂表l f 铸型机技术参敏12 电铅生产中扒渣作业的现状及扒渣机研制的意义在电铅冶炼行业中，铅锭的质量应符合g b t 4 6 9 铅锭中的标准。其中p b 9 99 9 4 牌号的规定“1 对表面质量有如下要求：l 、钳锭表面小得有熔渣粒状氧化物、央杂物搜外柬污染。2 、铅锭不得有冷隔，不得有大于1 0 m m 的毛边毛刺( 允许修整) 。在浇铸过程中，铸模中铅液的表面浮着层氧化渣，如不在铅液冷却凝固之前将其表面的浮渣去除，就会严重影响铅锭的外观和质量，达不到锚锭标准要求。为保证铸锭的表面质量，国内电铅冶炼企业通常采用人工方式将其逐模捞除( 图1 2 ) 。图】2 人工扒渣过程随着电铅冶炼生产线的引进，目前囡内的冶炼企业中，电铅生产过程中劳动强度最大的铸锭、堆垛、排板和制片等操作早已被先进的装备所取代，而一些配套设备如捞渣、析出铅处理等的装备水平仍有待提高。人工扒渣方式的弊端：首先是铅蒸气的危害。由于铅属于重金属，且熔沸点较低( 熔点3 2 75 。c ，沸点1 7 4 0 ) ，浇注现场存在从高温的铸模巾逸出的铅蒸气。扒渣作业工人长期近距离接近铅液，铅蒸气经呼吸道和皮肤进入人体，是造成铅中毒职业病的中南人学硕士学位论文第一章绪论元凶之一。冶炼工人每年都需要定期休假疗养，使用药物排毒。另外，该工序的工作条件十分恶劣，表现为：( 1 ) 环境温度高，铸模上方最高达5 0 0 以上，烟尘重；( 2 ) 铅液遇水汽易发生爆炸飞溅，对扒渣工人有烫伤的危险；( 3 ) 劳动强度大，若由人工进行扒渣，操作者在铸模旁弯腰作业，逐模扒渣，动作频繁。因为在浇铸生产线上，铅模以工艺要求的速度传送，要保证扒渣效率，工人需要每8 秒钟需完成一次扒渣、抛渣、清铲、返回等动作循环。到目前，国内外还未研制出技术成熟、效果理想的自动扒渣设备，在我国的电铅生产行业中，仍是由工人在恶劣的生产现场实行人工扒渣，严重损害了工人的身体健康。所以，实行机械化、自动化扒渣是电铅生产行业中亟待解决的技术问题。1 3 国内外冶炼行业扒渣机应用现状扒渣机是冶金行业普遍使用的，用于清除熔融金属液表面浮渣的专用设备。目前在各类冶炼厂中，扒渣机的应用较广泛的是钢铁冶炼行业，主要用于炉内或钢水包的扒渣。在有色冶金行业，铝、铅、锌等产品批量大的金属，通常采用铸型机铸锭的方式，需要铸模在线扒渣，对扒渣机的自动化程度、工艺适用性与工作可靠性提出了苛刻的要求。目前的技术难以满足生产要求，各企业还是采用人工方式扒渣，许多扒渣机开发尝试工作取得一定进展，但仍未推广应用。下面对国内外有关的扒渣机的情况进行逐一介绍，并作为设计铅锭扒渣机的参考。1 3 1 铁水扒渣机现在我国钢铁冶炼行业，扒渣机已得到广泛的应用。因为对于冶炼低硫钢种的铁水和实现少渣冶炼操作的钢厂来说，在铁水预处理后需增加扒渣工序，除去铁水表面的渣。其中典型铁水扒渣机的有以下几种型式：全气动小车走行式扒渣机，液压小车行走式扒渣机，液压伸缩臂式扒渣机。( 1 ) 全气动小车走行式扒渣机全气动小车走行式扒渣机是国内使用较早的铁水罐除渣设备。它采用压缩空气作为动力源，在扒渣小车上装有扒渣臂上下摆动装置、扒渣板位置微调装置、扒渣臂夹紧装置和扒渣臂旋转装置。扒渣机行走、回转、扒渣等动作都通过气缸完成。其特点是工作速度快、但占地面积较大，扒渣力小，结构较单薄。中南大学硕士学位论文第一章绪论图l - 3 全气动小车走行式扒渣机( 2 ) 液压小车行走式扒渣机液压小车行走式扒渣机形式与气动小车行走扒渣机相似，但采用液压驱动。设备包括：液压站、小车行走装置、扒渣臂上下摆动装置、扒渣机左右摆动装置、扒渣板初始位置微调装置、电气控制系统等几部分。其特点是结构形式较气动扒渣机牢固，工作稳定可靠、扒渣力大，但占地面积也较大，液压设备要求高。布置形式见图1 4 。平面图图1 - 4 液压小车行走式扒渣机( 3 ) 液压伸缩臂式扒渣机液压伸缩臂式扒渣机是通过扒渣臂的伸缩、扒渣臂旋转和扒渣臂升降3 动作的协调来完成扒渣任务。由液压站、操作站、扒渣臂伸缩驱动装置、机身整体回转装置、扒渣臂整体抬升装置，扒渣臂上下摆动装置、机座、液压管线、电气控制系统等部分组成。其特点是占地面积较液压小车行走式扒渣机小，工作稳定可靠、扒渣力大，但伸缩臂结构复杂，液压设备要求高。布置形式见图1 - 5 。4中南大学硕十学位论文第章绪论藿爆平啊图l - 5 液压仲缩臂式扒渣机综上所述。铁水扒渣机主要适用于钢水包的扒渣，其工作方式与铸锭生产线上的在线扒渣有较大的区别。3 ，2 铝铸型机用扒渣机铝锭连续铸造生产过程与电铅铸型过程相似，因此该行业采用的扒渣机对本课题有较多借鉴之处。电解铝熔体从电解槽抽出来浇铸，由于在保温炉巾除渣小净，加上在流槽r f 】形成的氧化物，经分酉已器浇入铸模内时，会在铝液表面形成层浮渣，为保证铝锭表面质量要求，必须在铸模中高温铝液冷却凝同之6 d 将其表面的浮渣去除。( 1 ) f 图为国内某铝厂从同本引进的铝液扒渣机，采用气压传动，可完成台车与铸机司步行走，扒渣臂升降，渣铲伸缩，冲渣等动作。该设备的同步机构采用借助铸机传送链从动轮带动扒渣机台车的方式实现两者的同步运动，使扒渣铲与铸模对正。如图1 6 所示。图l 6 铝液扒渣机同步机构示意图铸模传送链轮2 、铸机传送链3 ，伸缩传动机构4 ，扒渣机台丰漂气西麟战，氡笋2|i-一_啦盛一；强誓旷辩；中南人学硕士学位论文第一章绪论该设备的结构示意图如图1 7 所示。其工作过程为：首先，在同步机构的驱动下，使扒渣机台车与铸机同步行走，然后捞渣臂在升降气缸的作用下下降，渣铲伸入液面以下，之后扒渣气缸推动渣铲平动，进行扒渣。扒渣完成后，升降气缸推动扒渣臂上升，冲渣气缸动作，将锚渣从铲上冲掉，完成一个工作周期。降n il 罐j , j 一嘴幽1 - 7 日本冶炼厂铝液扒渣机结构图1 、渣铲2 、冲渣气缸3 、升降气缸4 、扒渣气缸5 同步机构在实际应用巾，这种方案的扒渣效果小够理想。由于采用单铲捞渣，铲面下倾的方式，导致捞渣不净，且钒渣容易掉落。另外，同步机构采用多级变速机构，形式复杂，同步定位精度不高。( 2 ) 中南大学机电工程学院曾在1 9 9 9 年研制了应用于电解铝行业的仝自动扒渣机。根据铝渣容易粘结，质量较轻的特点，铝扒渣机采用了动铲和定铲配台的方式扒渣，然后通过气缸驱动的冲渣机构清铲，其工作原理示意图如图1 - 8所示。它由底座、调整台、台车、同步机构、扒渣机构、冲渣机构、扒渣臂、提铲落铲机构和倒渣机构等部分组成。其工作过程如下：初始位：扒渣臂抬起，动铲缩回，台车返回左端；第一步：在同步摆杆限速作用下台车与铸模同步移动，同时渣铲与铸模对正。第二步：落铲，扒渣臂在小等边四杆升降机构的带动下，使动铲与定铲同时落入铸模的两端，第j 步：扒渣且同时倒渣，动铲匀速将铸模内浮渣从一端扒向另一端，与定铲合拢，同时渣斗完成倒渣与复位动作，清空斗内上次循环留下的铝渣i 第四步：提铲捞渣，升降机构带动动铲与定铲将扒拢的铝渣捞出并提至渣斗上方：第五步：冲渣，冲渣气缸经齿轮齿条机构，驱动冲头作往复运动，将渣冲入渣斗内；第六步：复位，台车与动铲返网，等待下一循环。糕；p1111中南大学硕士学位论文第一章绪论图1 - 8 铝铸型机用扒渣机结构图1 、冲渣头2 、翻渣气缸3 、渣斗4 、滚轮5 、定铲6 、滑杆7 、铸模8 、动铲9 、曲柄l o 、台车1 1 、配重该机采用独特的动铲定铲扒渣方式，止推式同步摆杆机构，不等边四杆提铲捞渣机构以及气缸后置式冲渣机构，达到了铲模对j 下及同步移动可靠，扒渣干净，捞渣快捷，清铲干净，使用维护方便等工业生产要求。它能自动完成在线逐模扒渣作业，扒渣死区小，扒渣质量达到国家重熔铝锭外观质量标准要求。由于铅渣和铝渣的性质不同，铝渣密度较小，容易粘结，而铅渣不易粘结，因此若采用这种双铲式的机构应用于铅扒渣机，也容易使铅渣掉落。1 3 3e t 本契岛冶炼厂的铅扒渣机扒渣机作为电铅冶炼生产线的辅助装置，目前还没有技术成熟的设备投入使用。国内外冶炼企业多是根据各自生产情况，制定了相关设计方案。日本契岛冶炼厂所提出的扒渣机方案如图1 - 9 所示5 i 。k 黛ll| 88图l 一9 契岛冶炼厂扒渣机设计方案1 ，扒渣车与铸模同步气缸；2 、下降气缸；3 、扒渣气缸；4 ，扒渣机械手；5 、电铅锭模；6 、扒渣机械手移动气缸；7 、刮渣板；8 、集渣斗；9 、渣斗扒渣机布置在电铅铸锭机定量浇注机处，扒渣机各部件设置在一个小车上，而集渣斗、渣斗设置在电铅铸锭机旁。扒渣小车随铸定机的锭模同步运行，两个扒渣机械手在气缸作用下张开，同时下降到铅液中，机械手合拢，将铅锭表面浮渣捞起后，扒渣小车脱离铅锭模返回时，扒渣机械手在气缸作用下横向移到集渣斗上方后张开，铅渣落入集渣斗中，在气缸作用下集渣斗刮板将浮渣刮入渣斗7中南大学硕十学位论文第一章绪论之中。该设备采用两扒渣板合拢的方式除渣，尚未见投入生产应用以及工作情况的报道。该方案中实现扒渣机械手的合拢运动较为困难，且由于机构复杂，其合拢精度和工作可靠性都难以保证。1 3 4 各类扒渣机工作方案比较本文参考了上述各类型扒渣机的设计思路，并结合电铅冶炼的特点设计了专用于电铅铸型生产线的扒渣机。由于铅渣具有不结团，密度较大，呈碎屑状及浮于铅液表层等性状特点，下面将以此为根据并结合电铅浇铸环境分析上述各类型扒渣机对该课题的借鉴意义。铁水扒渣机的执行部分采用扒渣板伸缩式或扒渣斗回转合拢的方式。铁水的容器为铁水罐，其形式与铅铸模不同，该方案是将铁水罐倾斜，通过扒渣板将铁水渣推入铁水罐下面的接渣容器中。而铅模是不能移动的，铅渣捞取后还需能够存储，因此这种执行方案不适用于铅锭扒渣方式。两种铝扒渣机的执行部分分别采用单铲平动捞渣和定铲动铲配合式。由于铝渣容易粘结，铅渣则不易结团，后者如果两铲面合拢时不严，铅渣容易从铲间掉落，而i j 者只有单铲且铲面下倾，铅渣更容易掉落。由于电解铝浇铸生产线与铅铸型机结构相似，因此这两种扒渣机的同步机构同样适用于电铅铸型生产线。本文将该机构进行了相应改进并应用于铅锭扒渣机，详见2 2 2 节所述。日本契岛冶炼厂的铅扒渣机，其执行部分采用机械手合拢的方式，这套方案机构较复杂，且与铝扒渣机类似，同样存在铅渣掉落的可能。因此本文也没有借鉴。1 4 课题的主要研究内容和方法国内铅冶炼企业采用烧结焙烧鼓风炉还原熔炼电解精炼的工艺生产精铅。长期以来，一直采用人工方式扒渣，在生产过程中也遇到了前述的各种弊端。因此，改善工人工作环境，减轻劳动强度，某大型冶炼厂与中南大学联合进行电铅铸型机用扒渣机的研制。该课题主要面向设计和应用研究，参考国内外现有扒渣设备的结构特点，将针对电铅浇铸生产环境设计铅锭扒渣机。首先进行扒渣机各部件的设计，对核心的扒渣机构进行结构优化以及运动学和动力学分析，然后通过试验进行验证，以保证扒渣动作的平稳性与准确性，使得扒渣动作具有理想的位移和速度特性。8中南人学硕士学位论文第一章绪论1 5 本章小结本章首先介绍了扒渣工序的应用背景及研制扒渣机的意义，然后叙述了国内外扒渣机应用的现状，最后提出了本文的研究目的和方向。9中南大学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机用扒渣机的总体设计第二章1 3 盹电铅铸型机用扒渣机的总体设计本章论述了与生产率1 3 吨时电铅铸型机相配套扒渣机的总体设计过程，首先根据扒渣作业工艺条件与要求提出了扒渣机的设计目标与技术要求，重点论述了两个主要机构：扒渣机构和同步机构的设计过程。最后完成了扒渣机布局和工作周期的制定，并对扒渣机总体工作性能作了初步分析。2 1 铅锭扒渣机的设计目标与技术要求铅锭扒渣机的主要技术要求如下：( 1 ) 捞渣机构与铸模准确对正，同步行走。( 2 ) 除渣干净，扒渣死区小。采用铲面斜入消除扒渣死区，平出确保铅渣不掉落。( 3 ) 由于铅液浇注较满，其表面距铸模上端面仅有5 m m ，因此对扒渣动作平稳性有较高的要求，扒渣速度需缓慢匀速且无级可调，以免铸模内铅液振荡起浪，在铅锭表面形成波纹和飞边，影响铅锭表面质量。( 4 ) 为避免扒渣机构搅动铅液以及与铅模边缘接触，扒渣轨迹应较平直，上下波动不超过4 - 5 m m ；( 5 ) 铅渣捞起后需要及时有效的抖落，以免粘铲。( 6 ) 结构简单，运行可靠，维护方便。2 2 铅锭扒渣机主要机构的设计2 2 1 扒渣机构的设计( 1 ) 扒渣动作执行方式的设计如1 3 4 节所述，由于铅渣具有不结团，密度较大，呈碎屑状，流动性较大及浮于铅液表层等性状特点，只能采用较密的钢丝网铲抄捞，才能将渣有效除净。目前人工扒渣即为平网滤捞，铲面用1 2 目不锈钢丝网蒙制。由于铅渣比铅液轻，通常浮于表层，捞网进入液面过深，会搅动铅液飞溅，甚至挂底，过浅则会捞不净。理想的运动轨迹是模拟人工扒渣，捞网伸入液面约1 0 1 5 m m ，捞1 0中南大学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机用扒渣机的总体攻计网边缘水平扫掠液面，并且运动区间覆盖整个铸模宽度。铅扒渣方案最终确定了平钢网滤捞铅渣的方案，并设计了与铸模等长的捞渣铲。( 2 ) 传动部分的设计在扒渣动作方式和捞渣铲的形式确定后，在传动机构的设计方面，需满足以下运动学性能要求：扒渣是平面运动，铲面理想的运动形态为：铲边沿水平直线运动，同时铲面作旋转运动，铲边直线运动距离为1 1 5 m m ，即模内液面宽度；回转运动为，铲平面与水平方向的角度从6 0 。( 接近铸模内侧斜面角度7 0 。) 转至o 。左右：铲端水平速度平稳；抖渣采用扒渣复位动作完成，渣铲快速复位并在行程末端撞击死档，将铅渣抖落。由于扒渣、抖渣动作为往复运动，载荷小，因此考虑采用连杆机构实现铲的旋转。因为这类机构有以下特点：运动副多为低副，压强较小，因此可靠性较高。并且运动副几何形状较简单，便于加工。在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是不同形状的曲线，其形状可随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，满足不同轨迹的设计要求。根据机构学的原理，四杆机构是杆件最少的机构，所以运动链短，动作轨迹受加工误差的影响较小。因此为保证扒渣动作的精确度和可靠性，最初设计时决定选取杆件最少的四杆机构作为传动部件。考虑到扒渣工作空间较小，生产线上相邻铸模的间距只有1 6 8 m m ，而为满足扒渣效率的要求，需采取每次扒双锭的模式，因此要设计两套机构并联的结构，这样留给一套四杆机构的宽度仅有1 6 8 m m 。为节省空间，考虑以铰链四杆机构的演化形式，曲柄( 摇杆) 滑块机构来代替。使滑块在端板的导向槽内移动，可省去一个连架杆的空间。需要确定的杆件参数为：摇杆中心a 点位置，摇杆长度a ，摇杆初始角度0 ，连杆长度b ，连杆初始角度( i ) ，铲端点相对连杆端点b 的坐标薯，y ，滑块导向槽与铅液液面的夹角由，如图2 1 所示。根据上述要求，可以提出以下约束条件：根据铸模内液面的宽度，确定扒渣过程中铲端横向位移须为1 l o m m ，渣铲末端t 点通过铸模内侧液面以下的两端点m ，n 及两者连线上的若干点，连杆角位移6 0 。左右。这样，该四杆机构的设计变为一个反演预期位置的问题，即按照连杆上某一点必须经过若干预期的点位，同时连杆必须经过若干预期位置设计机构。中南人学硕i 学似论文第二章1 3 吨电钿铸”机用扒淹机的总体设计液面1 。、f ，- 产_ _ i叮一2 。_ ；7 ny jjl、刖”f 刊肇jii 吣江一古专+圈2 i 扒渣机构设计枣数扒渣机对轨迹仅要求近似平直，不要求精确通过某些点位，实际设计中采h j 作剧法通过试验的方式对机构进行设计。首先根据丁作空间和结构要求选定一部分参数，分别为：摇杆支点a 相对铸模底边中j i lo 的坐标( 2 7 衄，2 5 m m ) ，摇杆长度7 1 m m ，摇杆初始角度7 1 。，连杆长度4 8 m m ，韧始角9 0 。，铲端点相对连牛t 端点b 的标( i i5 m m ，1 3 m m ) 。然后针对滑块导向槽与水平方的夹角m 进行试验设计，如图2 - 2 所示。图a 巾铲端轨迹上r 起伏较大，最大为1 2 r n ，幽c 中扒渣轨迹末端铲面f 倾，辩使铅渣掉落，蚓bt ，轨迹可以满足扒渣要求，此时中为5 2 。摹。二i，辫，簿，t 霄厂形、j ，j 啊艿髟，f i 辫；。每一毒孝墼少；警_ ，jh叫一一。、a 巾= 6 5 b 巾= 5 2 图2 - 2 导向槽角度优选示意图机构参数选定后，扒渣动作过程直【| 图2 - 3 所示。中南大学硕十学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机用扒渣机的总体设计q 初始位t o 扒渣c 扒渣完毕图2 - 3 扒渣过程1 捞渣抄网2 摇杆3 铸模仿真得到的捞渣抄网末端轨迹如图2 4 所示( 图中的梯形框为铸模) ，在工作过程中最大竖直位移波动为7 5 m m ，扒渣轨迹近似水平。01 8弱6 0苗了1 0 8抄网末端水平位移m m图2 - 4 捞渣铲位移曲线落渣过程如图2 - 5 所示。捞渣动作结束后，工作台上升并转动9 0 度，使捞渣铲位于接渣斗上方，扒渣机构摇杆快速反向旋转，带动抄网翻转，转到终位时撞击死档，获得一个较大的冲力，从而将铅渣有效抖落。q 扒渣完毕t o 铅渣抖落图2 - 5 落渣过程( 3 ) 驱动方式的选择选择驱动部件时主要考虑了以下因素：可靠性；经济性；动作平稳，速度负载特性特别是低速特性较好；结构简单、维护方便。下面结合扒渣工伯0硼簿q砸醐蓑*匿帑中南大学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机用扒渣机的总体设计序环境与技术要求对电气、液压、气压三种驱动方式进行比较。( 1 ) 电机驱动方案该方案采用步进电机或伺服电机驱动，其优点是传动效率和精度高。但不适合扒渣工作温度高，灰尘重，易飞溅的环境，且该方案成本较高，因此没有选用。( 2 ) 液压传动方案液压系统的优点是：输出功率大，可实现低速大力矩传动；工作平稳，动作响应较快；调速方便。但在扒渣工作环境下，若液压系统有泄漏，易污染环境，且由于环境温度高，有起火的危险。扒渣动作时间为2 s 、抖渣动作仅为o 3 s 左右，而油缸运动速度较慢。由于扒渣动作工作阻力小，液压系统相对气动方案成本较高，结构更为复杂，维护不便。( 3 ) 气压传动方案气动系统的优点是】：以空气为工作介质，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收油箱和管道。外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境。与液压传动相比，气动元件执行速度较高，普通气缸的运动速度一般为0 0 5 0 7 m s ，维护简单，工作介质清洁，不存在介质变质等问题。工作环境适应性好，特别在高温、易燃、易爆、多尘埃等恶劣工作环境中，比其他驱动方式更为安全。气动系统结构简单，造价低，使用、维护方便。扒渣机的动作均采用气动系统实现。由于扒渣机的工作循环周期短，一个工作周期内需完成的动作达九个之多，且都是往复运动，其中，除扒渣动作的时间较长外，其他动作的时间都很短，需快速平稳完成，采用气动系统能有效地实现这种快速往复运动，此外，气动系统不需要液压站等设备，体积小，造价较低，还具有防火、防爆、防尘等优点，适合扒渣作业的要求与环境。综上所述，气动系统是最适合扒渣工作环境的驱动方式。实际采用的扒渣机构气动系统的结构如图2 6 所示 2 5 2 6 j ，由气缸、换向阀、节流阀、管道及需要驱动的负载组成。早期的方案选用的气缸为普通双作用气缸。是s m c 公司产品，型号为m d b t 4 0 7 5 y 7 b a 【24 1 。后来在设备调试过程中，针对气压传动工作速度稳定性稍差的缺点，又采用气液联动装置进行了改进。1 4中南大学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机用扒渣机的总体设计图2 - 6 扒渣机构气动系统( 4 ) 扒渣机构总体形式综上所述，扒渣机构可看作两个曲柄滑块机构并联再叠加一个气缸两杆组的形式，是一个复合气动连杆机构，其结构如图2 7 所示。q2 2 2 摆杆式同步机构的设计图2 7 扒渣机构示意图在连续铸造线上实施扒渣，扒渣机构必须实现以下运动：扒渣、抖渣运动、扒渣臂转位、工作台升降、台车与铸模的同步运动。渣铲与铸模对正并与之同步运动是实现扒渣运动的前提，一个工作周期结束时，又应保证两者已经完全脱离，回到初始状态。国内外出现过两种较成熟的方案：一种是借助铸机传送链从动轮，带动扒渣机作同步移动，工作行程末了时，扒渣机脱开，由辅助气缸带动返回。1 3 2 节所述从日本引进的铝液扒渣机是采用的这种方案，如图1 7所示。该方案采用一级链传动，两级锥齿轮传动，一个履带传动和一个花键伸缩机构传动，结构复杂，并且不便调整，因此本文没有选用。其二是在每块铸模输送链板上设置挂钩，由挂钩直接拖动扒渣机作同步移动。该方案挂上与脱开不可靠，且需要对铸机主体结构作较大改动。本文采用气缸驱动及摆杆式机构来实现定位与同步运动，其工作示意图如1 5曼量所零o t 兰要兰机构中，摆杆可绕固定在台车上的轴摆动，上有一个三角霎兰竺鬈专鼍璺耋在台车上，铸模随传送链匀速赢“箍高茹丌名i -娄萎翼! 巴型黧台车与铸模沿相同方向运i 苫孚丢磊暴曼妻萎麓萎竺竺銎譬速度快，台车在气缸驱动下快速追上磊蒜蒜裂，霎翟竺兰娄要警警竺机警轮c 图b ，。之后因三角挂钩顶；夏荔：箍蕃茎磊：众窖主譬型蛩! 竺犊。潮渣铲与铸模籼对正，完枞渣荔若j i 蒜霁妻量雪，要专停兰竺苎，抖渣后，快速返回，摆杆被传送链磊；二一皋綦蠡薹磊雾篓翼竺。：。挂箩警过该滚轮，将进入下一个扒渣周期。巍过二笨i罢辇篓篓三：竺要一个滚轮对应一个铸模，因此扒渣赢蕃制篆翥利蒹并萋冀茎娄触娄翌霎! 臻保证台车快速回删初始菇。薪举磊：这样可使每一工作循环所扒的模首尾相接，不重不漏。旷陕强厂- 、一一7 一，i7 一一一。，7 7 、路一一一一一一u，k在笺点要兰洳鋈罂竺璧够保证台车与铸机传送链的有效同步和分离，使两者套：三篓霎三竺景塑! ! 篓黧周期结束时又可以可靠地募嵩，7 善；磊抬起摆杆即可使扒渣机与铸机脱离，互不干涉。“一”1 只门御b2 3 铅锭扒渣机布局及工作过程1 6，_在设型机，铸型数线铸参直，及在成构装组结安机的机型备渣铸设扒线型。直铸式和铅方置电局装据布注根机浇。渣量进扒定前锭由速铝线匀的产模发生铸开型动期铸带前铮链组电送题，传课述由本溉椰麴如调税牛电汁中南大学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机用扒渣机的总体设计机的一侧，定量浇注装置的对面，如图2 - 9 所示7 l 。l土一1 游一一ll，tlj 一_如j宁口址巴l三薹三一1；1l。|i弓：，jl。“，e 口一一硎1 f。剿il盯”jl。hl一1l|l四嘧iro|巾芒=皂|l l 立jr 莲p厂一丫一1|_ 一j 立油? i图2 - 9 扒渣机布局扒渣机主要有基座、台车、升降工作台、扒渣机构、同步机构，工作台回转机构、接渣斗等部分组成。如图2 1 0 所示。a 扒渣机主视图1 7中南大学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机用扒渣机的总体设计b 扒渣机俯视图c 扒渣机左视图图2 1 0 扒渣机三视图1 扒渣机构2 同步摆杆3 升降机构4 厶车5 调整台6 基座7 回转机构同步摆杆机构的作用是使台车与铸机同步行走。台车承载着升降，回转，同比与扒渣四机构，沿导轨在相对基座作往复运动。升降工作台在气缸驱动下可以相对台车上下运动。回转机构的作用是驱动工作台相对台车体转位。扒渣机构实现捞渣动作。1 8中南大学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸犁机用扒渣机的总体设计扒渣机的一个工作周期如下：首先检测同步摆杆的位置信号，若摆杆已落下( 在摆杆限制下台车与铸机取得同步，使捞渣铲正对铸模) ，则台车前进，延时0 2 s 确保同步摆杆靠上传动链滚轮后，工作台下降，使捞渣铲落到铅水液面以下1 0 1 5 m m 处，进行扒渣动作，扒渣结束后上升，并旋转9 0 。，使捞渣铲正对接渣斗，将铅渣抖落。随后工作台反向旋转9 0 。回原位，台车也快速返回，同步摆杆自动与传送链滚轮脱离，回到初始状态，准备下一个工作循环。通过分别调整各动作的速度，控制整个过程在1 8 s 以内，由于铸模运动周期为2 2 s ，留有4 s 的等待时间。整个过程历时1 2 s 。扒渣工作周期共包含1 0 个动作，分别为( 1 ) 摆杆下落，( 2 ) 台车同步前进，( 3 ) 工作台下降，( 4 ) 扒渣，( 5 ) 上升，( 6 ) 工作台转位，( 7 ) 抖渣，( 8 ) 铲渣臂复位，( 9 ) 台车返回，( 1 0 ) 摆杆抬起。工作流程如图2 1 l 所示。摆杆下落卜i 同步行走ht 作台下降h 扒渣卜叫t 作台上升摆杆抬起k 一工作台复位，台车返回h 抖渣h t 作台转位图2 - 1 1 扒渣工作流程图下图为扒渣机一个周期的动作时序，图中粗实线表示台车前进、扒渣臂上升、扒渣、工作台转位，细实线代表对应的反行程。o 1 5 秒为扒渣动作时间；1 5 2 2 秒为等待时间，用来为下个工作周期做准备。台车进退扒渣臂升降扒渣、抖渣扒渣工作台旋转时间( 秒) 0l23456789l ol l1 21 31 41 5 图2 1 2 铅锭扒渣机主要动作时序图为了验证本设计方案的可行性，本文对该机构进行了三维设计，并进行动态运行演示。扒渣工作过程中各步的示意图如图2 1 3 中a g 所示。1 9中南大学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机用扒涟机的总体醴计b 台车与铸模同步行走，工作台下降d 扒渣完毕，工作台上井中南大学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机刖扒渣机的总体设计f 抖渣g 回转，台车返回圈2 - l3 扒渣工作周期中各步骤示意图在完成了扒渣机的机构设计后，在s o l i d w o r k s 软件中对该设计方案进行了干涉检查，保证台车前进、上升、扒渣、转位、摆杆运动等过程中各构件不发7 e 碰撞。榆奋发现在扒渣动作中，连杆l 与两轴发生干涉，如图2 1 4 所示。针对该问题，奉丈在原方案中连杆1 与轴碰撞的位置加工一个弧形槽，从而解除了干涉问题，如图2 1 5 所示。中南人学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸l ! 机爿j 扒渣机的总体设计一一2 4 铅锭扒渣机的总体运动性能为保证本课题殴计的扒渣机满足第21 节中的各项技术要求，在设备安装调试过程中，对其总体运动性能进行了初步的研究。( 1 ) 台车的运动。台车的运动可分为止反两个行程。j f 行程即台车与主锭生产线的同步运动可分为两个阶段：摆杆挂钩与传动链滚轮挂靠前和挂靠后两段。自# 段从台车前进到摆杆止推面接触滚轮为止，后段为台车在摆杆的限速作用下与传动链以相同速度行走。该阶段时问很短，为o2 s 左右，靠调节台车气缸节流阀实现调速。后段由铸机传动链滚轮限速，使台车具有与铸机传动链相同的速度，为2 米份，台车的行程为3 0 0 m m ( 根据链节距4 2 m m 制定) 。台车的反行程为在扒渣动作完成后在气缸驱动下车体的返回，为直线运动其负载中南人学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机用扒渣机的总体设计为台车与导轨间的摩擦力，返回行程的速度可通过调节台车气缸节流阀进行调整。测量得到台车正反行程的位移时间曲线如图2 1 6 和2 1 7 所示。正行程( 台024b0时闯，s图2 1 6 台车正行程的位移时间曲线u1zj40时阍，s图2 1 7 台车反行程位移一时间曲线( 2 ) 扒渣和抖渣动作扒渣动作过程中，气缸活塞的位移为4 0 n 1 i n ，扒渣速度可通过调节气缸节流阀进行调节。调试过程中测得的摇杆角位移一时间曲线如图2 一1 8 所示。该工况下扒渣时间为1 5 s ，角位移曲线出现了台阶，由此可知动作不够平稳。若将节流阀开度增大，该现象会逐渐不明显，但同时会造成扒渣速度过快，容易引起铅液飞溅。枷枷姗郴御moe山，难掣卅姐中南大学硕士学位论文第二章1 3 吨电铅铸型机用扒渣机的总体设计u l 一_ lu 一7 ”一一一一。一。 i - _ ”o0 5li 52z 53时问s图2 1 8 摇杆角位移时间曲线抖渣动作为扒渣的反向运动，利用气缸的快速动作是摇杆获得较大的转速，通过与死档的快速撞击将铅渣抖落，经测试得动作时间为o 8 s 。( 3 ) 台车的升降动作、铲渣臂转位、复位等动作，也是通过各自驱动气缸节流阀进行调速，在行程终位利用油压缓冲器减小冲击。升降行程为2 0 0 m m ，动作时间为1 8 s ，工作台转位动作时间为1 7 s ，角位移为9 0 度。综上所述，该铅锭扒渣机的大部分工作性能能够满足设计要求，只有扒渣动作的平稳性还不够理想。而扒渣动作是该设备的核心运动，对铅锭表面质量有直接的影响，因此扒渣平稳性成了本课题亟待解决的技术问题。下面章节将通过对扒渣机构的建模与试验，对该问题进行分析，并提出解决方案。2 5 本章小结本章首先根据电铅生产线的结构和对扒渣工序的质量要求提出了扒渣机的设计任务，重点论述了两个主要机构的设计思路和原理：扒渣机构的设计采用了连杆机构翻转捞渣铲的方式，通过作图法确定了相关机构参数，实现了预期的捞渣轨迹；同步机构采用摆杆限速的方式，使扒渣机的工作台与浇铸生产线同步行走。然后对总体的技术方案进行三维实体设计，分析结果表明本方案结构合理，方案可靠。最后通过对设备总体性能的初步研究，提出扒渣平稳性的问题，并将在下面章节进行分析。够5 ：蛞俘伯皓幔浆棼骧中南大学硕士学位论文第二章扒渣机气动系统驱动力模型的建立与分析第三章扒渣机气动系统驱动力模型的建立与分析在扒渣机工作周期的各动作中，按照对运动平稳型的要求，可分为一下四类。要求最高的是扒渣和同步运动，如前所述，同步运动分为摆杆挂靠前和挂靠后两段。前段时间很短，靠调节气缸节流阀实现调速，后段由铸机传动链滚轮限速，使台车具有平稳的速度。其次是上升、下降、铲渣臂转位、复位和台车返回，这些动作对运动平稳性要求相对较低，通过节流调速和油压缓冲器减震调速即可。再次是抖渣，该动作正好可利用气缸的快速与死档的撞击。最后是同步摆杆的抬起与落下，该动作靠自重实现，无需驱动。综上所述，扒渣运动平稳性是铅锭扒渣机设计的关键技术问题。针对这个要求，下面将通过建立并分析机构的动力学模型，研究影响扒渣平稳性的因素，并根据仿真及试验得到的结论，对设备进行改进，使之可满足实际生产要求。首先需要建立机构原动部分的驱动力模型。由于扒渣机的台车、升降机构、工作台回转机构、扒渣机构都是以气动系统作为驱动部件，因此本章论述了扒渣机构气动系统的设计方案，建立了气动系统驱动力的数学模型。该模型的意义在于可与机构运动方程联立求解，为研究影响扒渣运动平稳性的因素，以及驱动方案的制定提供了理论依据。3 1 气动系统的相关理论及基本假设3 1 1 相关理论在此对本文用到的气体动力学的相关理论作一下简述。( 1 ) 理想气体状态方程描述气体工质的热力过程时，常用绝对温度、压强和比容v ( 或密度p ) 作为气体的基本状态参数。对于理想气体，在任一平衡状态时，各状态参数的关系为【1 2 】：i n , = r t ；p p = r t式中r 气体常数，空气的气体常数为2 8 7 1n m ( k g k ) 。( 2 ) 绝热过程的状态参数变化规律气体工质在与外界无热交换的条件下进行的状态变化过程，称为绝热过程。理想气体在可逆绝热过程中，其状态参数之间有如下的关系：中南人学硕七学位论文第三章扒渣机气动系统驱动力模型的建立与分析p l v l2 p 2 v 2鲁= c 妒协，式中k 一称为绝热指数或比热比，对于空气k = 1 4 。( 3 ) 气动元件的流量特性单个喷嘴的流量特性在气动技术中，常将气流通过的由各种阀类元件和管道系统抽象成一个等效的收缩喷嘴或节流小孔来计算，而收缩喷嘴中气流的速度远大于气体与外界进行热交换的速度，气体流过喷嘴时的能量损失远小于它具有的总能量，可以忽略，因此可以将喷嘴中的流动视为绝热等熵流动 1 别。设喷嘴的几何面积为a ，流量系数为u ，喷嘴的有效面积以= 刖，上游空气压强为p 。，上游绝对温度为瓦，下游空气压强为p 。，则喷嘴中的质量流量公式为1 3 1