基于ADAMS 的液压泥炮回转机构优化研究.doc

冶金之家网站基于ADAMS的液压泥炮回转机构优化研究尹忠俊，夏广田，朱允言，苏杏(北京科技大学机械工程学院 北京 100083)摘 要：应用Pro/E和ADAMS软件建立了液压泥炮回转机构的虚拟样机模型，在优化分析的基础上，揭示了机构各点坐标对液压缸推力、液压缸行程以及关键点受力的影响，进而得到较为优化的液压泥炮回转机构样机模型。通过仿真优化设计回转机构，提高了泥炮的工作能力和性能，缩短了开发周期，降低了设计成本，为液压泥炮回转机构的设计提供了理论依据，具有一定的工程指导意义。关 键 词：回转机构；仿真分析；优化设计；ADAMS1 引言泥炮是当今高炉炼铁必要的炉前设备，直接关系高炉的正常运行。随着高炉的大型化，与其配套的设备性能也要提升，现有国产泥炮难以满足大型高炉的生产要求，所以必须开发出性能更好，工作能力更强的新型液压泥炮，以便与大型高炉配套。12传统液压泥炮回转机构的设计方法是先结合运动学、动力学进行初始结构设计3，然后通过手工绘图的方式进行各个工作位置的模拟分析，并与试验结果进行对比，最后再进行结构的优化改进，该设计周期较长，操作繁琐，难以满足对产品性能多样化的要求。在Pro/E和ADAMS中建立液压泥炮回转机构的仿真模型，利用ADAMS软件中优化分析技术对主要结构参数进行仿真优化，得到各关键点位置对液压泥炮行程和受力情况的影响，以期为液压泥炮回转机构的多样化设计提供依据。新型液压泥炮回转机构的优化分析对提高泥炮的工作能力和性能，降低生产成本，甚至对产品的更新换代都具有一定的意义。2 泥炮回转机构工作原理及要求在高炉炼铁过程中，当铁水出完后，出铁口即用炮泥堵起来，用来压注炮泥的设备称为泥炮。液压泥炮由回转机构、压炮机构、打泥机构、液压站、操作台等部分组成，其作用是迅速准确地堵塞放铁水后的出铁口，使高炉快速进入下一循环的作业。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。泥炮回转机构决定了泥炮的运行轨迹和工作位置，能否顺利完成打泥和保压过程也取决于回转机构的设计。21 泥炮回转机构工作原理液压泥炮的回转机构为双四杆机构，其中打泥机构、转臂、控制连杆和机座构成一套四杆机构，回转油缸、回转肘板和机座构成另一套四杆机构，如图1所示。回转油缸的活塞杆端部铰接在基座上，泥炮从非工作位置转向工作位置时，油缸无杆腔进油，活塞伸出，驱动回转肘板绕点A点顺时针旋转，使转臂到达工作位置。当打泥工作完成后，油缸有杆腔进油，带动回转肘板绕点A点逆时针旋转，泥炮从工作位置退回。回转油缸有两个功能：一是驱动打泥机构在工作区间内往复运动；二是在完成打泥动作后，使炮嘴平面与出铁口泥套平面间产生足够的压紧力，即压炮力。22 泥炮回转机构工作要求由于实际工况需要，将回转机构转臂长度由2500mm增加到3000mm，液压缸行程由1226mm增大到1320mm。各杆组尺寸需满足以下要求：杆机构在运动过程中不出现死点，并且泥炮转臂的转角能到达154；转臂退回到非工作位置时不能碰撞活塞在基座上的铰接点，泥炮的炮身与油缸缸体不能碰撞；各杆机构的尺寸要足够小，以适应出铁场的空间要求。在分析和设计时要综合考虑，各项因素兼顾，以便进行多方案的比较，寻求比较优化的设计方案。转臂原长与加长后的优化目标数据比较如表1。由表1可知，转臂加长后，在相同压炮力的作用下，所需的液压力为843kN，超过了液压缸的最大推力785kN，连杆的受力增加，而且液压缸行程也达不到要求。为满足要求，可以通过增大油压、增大液压缸直径以及优化杆机构尺寸的方法来解决，从而使各性能参数得到改善。转臂加长后，需要液压缸提供更大的推力才能满足工况要求，油压的增大会使液压系统的制造和维护成本急剧增加，而且液压系统会产生气泡、泄漏、振动等恶劣工作状态。由于整体机构尺寸的限制和增大油缸对制造成本的影响，考虑通过改变现有回转机构杆组的尺寸，用优化杆组的方法来满足要求，以便利用现有的液压系统。在仿真中主要关心的是压炮状态下所需的液压推力、各铰接点受力以及工作时的活塞行程。3 回转机构虚拟样机模型的建立按照现有结构尺寸在三维建模软件Pro/E中创建液压泥炮各零部件的模型，并组装成装配体，将几何模型从Pro/E导入到ADAMS中。根据泥炮实际运动特性添加约束，机座与大地之间添加固定副，回转油缸的缸体与活塞之间添加移动副，其他各部件之间为转动副，并建立角度传感器，当转臂的转角达到154时，仿真过程自动结束。4 仿真优化分析优化分析是Adams/view提供的一种复杂的高级分析工具4。通过参数化建模，可以将参数值设置为可以改变的变量。在分析过程中，只需改变机构模型中有关参数值，程序就可以自动更新整个机构模型，还可由程序根据预先设置的可变参数自动的进行一系列仿真，观察在不同参数值下机构的变化。优化分析过程中，还可以设定设计变量的变化范围。通过优化分析，可以获得在给定的设计变量范围内，目标达到最大或者最小的工况5。仿真分析的约束条件为炮身转角为154，优化目标是压炮工作时所需的液压推力、连杆的受力和活塞的行程，此外还要考虑各铰接点的受力，以验证销轴受剪切力时的安全性。41 单个坐标分析1)为方便确定各铰接点的位置，将O点作为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y方向，建立直角坐标系如图3，将各点设置为变量，以改变回转机构与机体的铰接位置，观察各点位置对优化目标的影响，图4为A点坐标变化时得到的优化曲线图。2)改变回转机构与机体的铰接位置，连杆与转臂的位置关系保持不变，则在一定压炮力作用下，连杆的受力不变。据图分析可知，减小A点的纵坐标和增大A点的横坐标都能有效的减小所需的液压推力，同时也增大了活塞行程。减小A点横坐标则可以减小活塞行程。同理可得其他各点坐标位置改变对回转机构的影响结论，汇总如下：(1)减小B点的横坐标，所需液压推力基本不变，能有效地减小活塞行程。而增大纵坐标可以减小液压推力，但是同时也增大了活塞的行程。(2)改变D点的横坐标对所需液压推力的影响不大，而减小D点的纵坐标，可以有效地减小所需的液压推力，改变D点坐标对连杆受力和活塞行程基本上不影响。(3)只改变液压缸与机体的铰接位置，连杆的受力恒定。增大E点的纵坐标，可以减小所需的液压推力，但同时也增大了活塞的行程。(4)提高F点的铰接位置，可以有效地减小所需要的液压推力，但连杆受力同时也增加，降低F点的铰接位置可以减小连杆受力。42 综合坐标的优化分析由以上单个点坐标值改变的结果分析可知，每个变量的变化对整个机构各工作参数都有不同程度的影响，模型的优化工作就是将所有认为对优化目标影响较为显著的变量综合起来考虑，进行设计变量不同组合的分析，得出各个优化目标的变化曲线。据表2的结论，将A、D、E、F点作为设计变量，在取值变化范围内每个坐标取3个不同尺度，进行迭代计算，对整个回转机构进行优化分析。图5、图6分别表示迭代运算中液压推力和行程的变化曲线，反映坐标变化对液压推力和行程的影响。从曲线及变量坐标值可以很明显地看出优化目标的变化趋势及优化方向，为进一步优化设计奠定了基础。5 优化验证结合现有液压泥炮回转机构尺寸，根据实际工况的需要与优化分析结果，现将各点坐标确定如下：O(0，0)、A(1000，230)、B(180，770)、D(565，480)、E(1750，700)、F(0，650)。采用优化后的模型进行仿真验证，在液压缸径向尺寸保持不变的情况下，炮身转角154时，行程增大到1318mm，增大75%，能满足工况要求，如图7所示。在保压时各铰接点受力最大，此时炮嘴固定，由于中间销轴主要是剪切力的作用，所以只需分析剪切力的安全范围。图8是A点在保压时的受力图，受力大小为1959kN。A点铰接处用的是直径为150mm的销轴，材料为40Cr，其抗剪强度为400MPa。可承受的剪切力为=7065kN远远大于所受剪切力，所以在安全许可范围之内。其余各铰接点所受剪切力不一一列出，具体汇总如表2。由以上仿真验证结果可以看出，该泥炮回转结构在满足角度约束的条件下，能满足液压缸行程和液压推力参数的变化要求，各铰接点的销轴均在强度安全范围之内，所以，选取以上参数设计的泥炮回转机构结构合理，能安全有效地完成堵铁口的工作过程。6 结论应用Pro/E与ADAMS软件相结合，实现了液压泥炮回转机构的建模与运动仿真，分析了回转机构各个铰接点位置对优化目标的影响。回转机构的优化考虑因素较多，是多目标的综合优化，最后给出一套整体性能较优的样机参数，经分析验证达到了预期要求，现已进行生产。在参数化和优化思想的指导下，可以方便快捷地得到满足不同需求的优化样机，缩短了开发周期，降低了开发成本，为液压泥炮回转机构的设计提供了理论依据，具有一定的工程指导意义。参 考 文 献：1 邵峰高炉液压泥炮旋转机构设计优化C第八届(2011)中国钢铁年会论文集，2011：3513602 李朔东，殷宝