D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.04.025 第30卷第4期 北京科技大学学报 Vol.30 No.4 2008年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2008 高炉堵渣机的结构分析与优化设计 罗金良)黄茂林)文群)贺镇) 1)重庆大学机械工程学院，重庆4000442)南华大学机械工程学院，衡阳421001 摘要在按不同的工作阶段对堵渣机进行自适应功能结构分析的基础上，利用ADAMS软件对机构进行了仿真分析，找出 了现有堵渣机存在的问题：并对堵渣机进行了优化及无过约束的自调结构设计.仿真结果表明：堵渣机的各项性能得到提高， 工作更加稳定可靠：堵渣机的自调和自适应性能得到进一步改善，消除了堵渣机对外界工作环境的敏感性：机构自调结构具 有工程实用价值和巨大的应用前景 关键词堵渣机：功能分析：自适应：自调结构：优化设计 分类号TF321.5 Structure analysis and optimum design of a blast furnace stopper LUO Jinliang).HUANG Maolin).WEN Qun2).HE Zhen) 1)School of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044.China 2)School of Mechanical Engineering.Nanhua University.Hengyang 421001.China ABSTRACI Based on the analysis of self-adaptive functional structure of stopper in different working stages,some main problems of stopper were found with motion simulation analysis by using ADA MS software.and then a stopper was optimized and designed with self-adjustable structure without overconstraints.Simulation results showed that the performance of the stopper was improved with the benefit of more reliable working process.Meanwhile,the ability of self-adjustment and self-adaptation was advanced for eliminating the sensitivity to environment.It is indicated that the self-adjustable structure of mechanism has the engineering practical value and great prospect· KEY WORDS stopper;functional analysis:self-adaptive:self-adjustable structure;optimum design 重钢1200m3高炉液压折叠式堵渣机在使用过 特征，文中采用ADAMS仿真软件山对现有系统进 程中发现存在一些问题，主要是提升高度不足、堵头 行了全面的运动学、动力学分析，指出了其尺寸及形 运动轨迹的直线度不够、提升与下降过程不稳定而 状、质量配置及驱动方式中存在的一些问题，据此 出现冲击振动：同时，由于其工作环境非常恶劣，堵 进行了运动学及动力学参数的全面优化设计和自调 渣机变形及磨损严重，常常导致堵头“卡死”及不能 结构的创新设计，通过仿真及部分实际改造，有效地 可靠进入渣口等故障，正是基于这些存在的问题， 提高了堵渣机的工作性能，为堵渣机等炉前机械装 本文深入分析了其工作过程及功能结构，将其工作 置的改进设计提供了可行的方向 循环划分为四个阶段，指出其具有变结构、变自由度 1堵渣机的基本结构与性能分析 的自适应结构特征以及影响其自适应功能的主要结 构因素；其平面闭链结构中存在的大量过约束、工作 1.1堵渣机的功能结构分析 环境的恶劣及制造安装等不可避免的误差导致了运 高炉堵渣机是一种典型的多杆、变结构、变自由 转过程的不顺畅及不稳定性，基于该机构的变结构 度，能依靠自身的机械结构，而不需要通过电气控制 自动适应不同工作阶段的不同运动学及传力要求的 收稿日期：2007-02-03修回日期：2007-04-14 “自适应机械”，为了满足运动范围和运动规律的不 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。,50075087):重庆钢铁 同要求，具有可变构件数和运动副数的结构特征；为 集团有限公司技改资金资助项目(N。·CG030508) 作者简介：罗金良(1968一)男，高级工程师，博士研究生：黄茂林 了能适应渣口位置的变化而实现堵头的自动调整， (1936-),男，教授，博士生导师，E-mail:mlhuang219@163.com 具有在一定条件下可调整的自由度：为了可靠地堵
高炉堵渣机的结构分析与优化设计 罗金良12） 黄茂林1） 文 群2） 贺 镇1） 1） 重庆大学机械工程学院重庆400044 2） 南华大学机械工程学院衡阳421001 摘 要 在按不同的工作阶段对堵渣机进行自适应功能结构分析的基础上利用 ADAMS 软件对机构进行了仿真分析找出 了现有堵渣机存在的问题；并对堵渣机进行了优化及无过约束的自调结构设计．仿真结果表明：堵渣机的各项性能得到提高 工作更加稳定可靠；堵渣机的自调和自适应性能得到进一步改善消除了堵渣机对外界工作环境的敏感性；机构自调结构具 有工程实用价值和巨大的应用前景． 关键词 堵渣机；功能分析；自适应；自调结构；优化设计 分类号 TF321∙5 Structure analysis and optimum design of a blast furnace stopper LUO Jinliang 12）HUA NG Maolin 1）W EN Qun 2）HE Zhen 1） 1） School of Mechanical EngineeringChongqing UniversityChongqing400044China 2） School of Mechanical EngineeringNanhua UniversityHengyang421001China ABSTRACT Based on the analysis of self-adaptive functional structure of stopper in different working stagessome main problems of stopper were found with motion simulation analysis by using ADAMS softwareand then a stopper was optimized and designed with self-adjustable structure without overconstraints．Simulation results showed that the performance of the stopper was improved with the benefit of more reliable working process．Meanwhilethe ability of self-adjustment and self-adaptation was advanced for eliminating the sensitivity to environment．It is indicated that the self-adjustable structure of mechanism has the engineering practical value and great prospect． KEY WORDS stopper；functional analysis；self-adaptive；self-adjustable structure；optimum design 收稿日期：2007-02-03 修回日期：2007-04-14 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50075087）；重庆钢铁 集团有限公司技改资金资助项目（No．CG030508） 作者简介：罗金良（1968—）男高级工程师博士研究生；黄茂林 （1936—）男教授博士生导师E-mail：mlhuang219＠163．com 重钢1200m 3 高炉液压折叠式堵渣机在使用过 程中发现存在一些问题主要是提升高度不足、堵头 运动轨迹的直线度不够、提升与下降过程不稳定而 出现冲击振动；同时由于其工作环境非常恶劣堵 渣机变形及磨损严重常常导致堵头“卡死”及不能 可靠进入渣口等故障．正是基于这些存在的问题 本文深入分析了其工作过程及功能结构将其工作 循环划分为四个阶段指出其具有变结构、变自由度 的自适应结构特征以及影响其自适应功能的主要结 构因素；其平面闭链结构中存在的大量过约束、工作 环境的恶劣及制造安装等不可避免的误差导致了运 转过程的不顺畅及不稳定性．基于该机构的变结构 特征文中采用 ADAMS 仿真软件［1］对现有系统进 行了全面的运动学、动力学分析指出了其尺寸及形 状、质量配置及驱动方式中存在的一些问题．据此 进行了运动学及动力学参数的全面优化设计和自调 结构的创新设计通过仿真及部分实际改造有效地 提高了堵渣机的工作性能为堵渣机等炉前机械装 置的改进设计提供了可行的方向． 1 堵渣机的基本结构与性能分析 1∙1 堵渣机的功能结构分析 高炉堵渣机是一种典型的多杆、变结构、变自由 度能依靠自身的机械结构而不需要通过电气控制 自动适应不同工作阶段的不同运动学及传力要求的 “自适应机械”．为了满足运动范围和运动规律的不 同要求具有可变构件数和运动副数的结构特征；为 了能适应渣口位置的变化而实现堵头的自动调整 具有在一定条件下可调整的自由度；为了可靠地堵 第30卷 第4期 2008年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．4 Apr．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．04．025
第4期 罗金良等：高炉堵渣机的结构分析与优化设计 .425 住渣口，而具有呈现为静定或超静定的零或负自由 循环分为四个阶段，即升降阶段、平移阶段、调整阶 度结构 段及渣口闭锁阶段， 该机构主要是依靠由摆杆、滚子及重锤所构成 (1)升降阶段，即立臂与滚子接触的工作段 的高副封闭结构来实现自适应功能的，如图1所示， 当立臂运动到与滚子接触时，将原与机架之间的高 这些高副“约束”具有可在一定的条件下施加或释 副“取消”，重新与立臂形成新的高副L,并推动摆 放、可与不同构件形成封闭约束的结构特征，其稳定 杆绕F转动，拉杆与摆杆在滚子中心处形成铰链 性是保证机构实现自适应功能的关键之 联接，从而使整个系统成为带高副的七杆一自由度 机构，并由此增大了堵渣杆、拉杆间的相对转动范 围.通过这一结构的自适应改变，达到提升高度的 要求，如图2(a)所示（字母A等后括号中的数字表 示相应运动副的级别，下同)，此时，高副L接触的 稳定性是影响机构稳定的重要因素、 (2)平移阶段，即滚子脱离立臂与机架挡块接 触的工作段，为了使堵渣杆在堵渣过程中实现近似 的平移运动，堵头W作近似的直线运动以便能顺 利的进入渣口，在结构上采用了近似于平行四边形 的CDEG四杆机构，这时，重锤摆杆一滚子系统与 机架形成固定的高副，G成为固定铰链，如图2(b) 所示，整个系统又变成ATBCDEG六杆一自由度机 1,2一液压缸；3一立臂：4一堵渣杆；5一拉杆：6一摆杆：7一滚子； 构.其中，四杆机构CDEG的尺寸参数是直接影响 8一机架：9-重锤 堵头运动轨迹的重要因素 图1堵渣机的机构简图 Fig.I Scheme of a stopper (③)调整阶段，也称为自适应变自由度阶段，即 堵头进入渣口的最后阶段，由于温度、变形、磨损及 按照堵渣机的工作要求与特征，将其一个工作 更换渣口等所造成不可避免的尺寸误差，堵头不可 (a) A(V) AN) (b) B(V) FV) C(V G(V) CV) LK(V) DV) E(V) B(VY R D(V) E(V) D(V)E(V) (a)升降阶段；(b)平移阶段；(c)调整阶段；(d)闭锁阶段 图2堵渣机各阶段机构简图 Fig.2 Scheme of different phases of a stopper
住渣口而具有呈现为静定或超静定的零或负自由 度结构． 该机构主要是依靠由摆杆、滚子及重锤所构成 的高副封闭结构来实现自适应功能的如图1所示． 这些高副“约束”具有可在一定的条件下施加或释 放、可与不同构件形成封闭约束的结构特征其稳定 性是保证机构实现自适应功能的关键之一． 12—液压缸；3—立臂；4—堵渣杆；5—拉杆；6—摆杆；7—滚子； 8—机架；9—重锤 图1 堵渣机的机构简图 Fig．1 Scheme of a stopper 按照堵渣机的工作要求与特征将其一个工作 循环分为四个阶段即升降阶段、平移阶段、调整阶 段及渣口闭锁阶段． （1） 升降阶段即立臂与滚子接触的工作段． 当立臂运动到与滚子接触时将原与机架之间的高 副 “取消”重新与立臂形成新的高副 L并推动摆 杆绕 F 转动．拉杆与摆杆在滚子中心处形成铰链 联接从而使整个系统成为带高副的七杆一自由度 机构．并由此增大了堵渣杆、拉杆间的相对转动范 围．通过这一结构的自适应改变达到提升高度的 要求如图2（a）所示（字母 A 等后括号中的数字表 示相应运动副的级别下同）．此时高副 L 接触的 稳定性是影响机构稳定的重要因素． （2） 平移阶段即滚子脱离立臂与机架挡块接 触的工作段．为了使堵渣杆在堵渣过程中实现近似 的平移运动堵头 W 作近似的直线运动以便能顺 利的进入渣口在结构上采用了近似于平行四边形 的 CDEG 四杆机构．这时重锤—摆杆—滚子系统与 机架形成固定的高副G 成为固定铰链如图2（b） 所示整个系统又变成 A TBCDEG 六杆一自由度机 构．其中四杆机构 CDEG 的尺寸参数是直接影响 堵头运动轨迹的重要因素． （3） 调整阶段也称为自适应变自由度阶段即 堵头进入渣口的最后阶段．由于温度、变形、磨损及 更换渣口等所造成不可避免的尺寸误差堵头不可 （a） 升降阶段；（b） 平移阶段；（c） 调整阶段；（d） 闭锁阶段 图2 堵渣机各阶段机构简图 Fig．2 Scheme of different phases of a stopper 第4期 罗金良等： 高炉堵渣机的结构分析与优化设计 ·425·
.426 北京科技大学学报 第30卷 能每次都能正好对准炉体上的渣口.为了能自动适 构具有自适应功能的保障 应这一变化，保证堵头能顺利进入渣口，在渣口处特 (4)闭锁阶段，即堵头堵住渣口处于静止的阶 设置一个入口较大的引导锥面，当渣口位置出现偏 段，当堵头进入渣口后，必然会承受来自炉渣及铁 差时，堵头将先与该锥面接触，在驱动力作用下，将 水的巨大反力，堵头在液压缸推力作用下可靠地“静 形成一个垂直方向的分力1作用于W处，使堵渣 止”，整个系统成为“内力封闭”的静定甚至超静定的 杆有绕D点产生弯曲变形的趋势，为避免过大的 “桁架结构”，这时重锤一摆杆一滚子系统与机架必须 弹性变形，特设置了一个有条件出现的摆杆GF绕 形成可靠的高副接触，其工作图可简化如图2(d)所 F点转动的自适应自由度.当堵渣杆上的分力传至 示的内力封闭的加压装置.图中P为驱动力，R为 G形成对点的转矩大于重锤封闭力矩时，迫使摆杆 铁水反力， 转动，滚子与机架间的高副将被释放，使系统成了一 1.2堵渣机的运动学、动力学性能分析 个二自由度的七杆双回路链，并补充调整堵渣杆的 本文利用ADAMS软件[2一]对堵渣机的工作性 位姿，使堵头进入并堵住渣口，如图2(c)所示.此 能进行了仿真分析，其主要的几项性能如图3. 时，重锤一摆杆一滚子系统中的高副的可释放性是机 (1)堵头的位移分析·图3(a)中，Sx、S,分别 0.5 0.5 -0.5 05 -1.5 -1.5 -2.5005101$202530 3.5 200 0.51.01.52.02.53.03.5 时间s 时间s 10⊙ 25d 0.5 2.0 1.5 0 o -0.5 0.5 -1.0051.0152.0253.03.5 060.5 1.01.52.02.53.03.5 时间s 时间s 图3仿真分析结果.(a)堵头位移：（凸）堵头速度；(c)滚子与立臂的接触力；(d)滚子与挡块的接触力 Fig.3 Simulation result:(a)displacement of the jam-head:(b)speed graph of the jam-head:(c)stress of the roller contacted with the erect arm; (d)stress of the roller contacted with the baffle 为堵头X和Y方向的位移分量，其中S,曲线在后 副约束的稳定，并最终影响堵渣机工作的稳定性， 阶段比较平直，基本符合进入渣口段的堵渣要求 (4)滚子与挡块的接触力分析.滚子与挡块有 然而，在正常要求S,的变化值△S,保持在士1mm 比较大的冲击性，但总体接触状况良好， 范围内时，其直线段，即Sx的对应长度较小，只有 总之，从堵渣机的性能分析中可以看出，现有堵 47mm;其位移Sv,即提升高度只有1631.45mm,不 渣机的确存在着许多不足之处，如直线长度与提升 能很好满足工作要求 高度不够，高副接触封闭不稳定；特别是滚子与立臂 (②)堵头的速度分析.图3(b)中，ux、y分别 不接触，将使机构在变结构中呈现不确定的状态，堵 为堵头X和Y轴方向的速度.从图中可以看出，虽 渣机工作不稳定，因此，必须加以改进与优化，以保 然在进入渣口阶段堵头x比较大，符合快速堵渣 证其工作的可靠性， 的要求，然而，有很明显的波动，进一步说明了其 1.3堵渣机的过约束分析 运动轨迹的直线度不高，有颤动现象 平面机构中普遍存在着过约束.由于不可避免 (3)滚子与立臂的接触力分析.从图3(c)中可 的制造误差及各种原因所引起的变形等，都将破坏 以看出，由于系统惯性及封闭力的影响，滚子与立臂 “平面约束”的条件，而导致出现某些非平面约束，使 的接触力为零，说明两者根本没有接触，滚子与立臂 理论上不起作用的过约束成为“实约束”，从而造成 的跟随状况差，并增加了随后滚子与挡块的弹性碰 机械系统运动的顺畅性及动力学性能恶化的有害影 撞，这将严重影响重锤一滚子摆杆系统与立臂间高 响].特别是堵渣机的工作环境非常恶劣，其影
能每次都能正好对准炉体上的渣口．为了能自动适 应这一变化保证堵头能顺利进入渣口在渣口处特 设置一个入口较大的引导锥面．当渣口位置出现偏 差时堵头将先与该锥面接触．在驱动力作用下将 形成一个垂直方向的分力 R1 作用于 W 处使堵渣 杆有绕 D 点产生弯曲变形的趋势．为避免过大的 弹性变形特设置了一个有条件出现的摆杆 GF 绕 F 点转动的自适应自由度．当堵渣杆上的分力传至 G 形成对点的转矩大于重锤封闭力矩时迫使摆杆 转动滚子与机架间的高副将被释放使系统成了一 个二自由度的七杆双回路链并补充调整堵渣杆的 位姿使堵头进入并堵住渣口如图2（c）所示．此 时重锤—摆杆—滚子系统中的高副的可释放性是机 构具有自适应功能的保障． （4） 闭锁阶段即堵头堵住渣口处于静止的阶 段．当堵头进入渣口后必然会承受来自炉渣及铁 水的巨大反力堵头在液压缸推力作用下可靠地“静 止”整个系统成为“内力封闭”的静定甚至超静定的 “桁架结构”这时重锤—摆杆—滚子系统与机架必须 形成可靠的高副接触其工作图可简化如图2（d）所 示的内力封闭的加压装置．图中 P 为驱动力R 为 铁水反力． 1∙2 堵渣机的运动学、动力学性能分析 本文利用 ADAMS 软件［2—3］对堵渣机的工作性 能进行了仿真分析其主要的几项性能如图3． （1）堵头的位移分析．图3（a）中Sx 、Sy 分别 图3 仿真分析结果．（a） 堵头位移；（b） 堵头速度；（c） 滚子与立臂的接触力；（d） 滚子与挡块的接触力 Fig．3 Simulation result：（a） displacement of the jam-head；（b） speed graph of the jam-head；（c） stress of the roller contacted with the erect arm； （d） stress of the roller contacted with the baffle 为堵头 X 和 Y 方向的位移分量其中 Sy 曲线在后 阶段比较平直基本符合进入渣口段的堵渣要求． 然而在正常要求 Sy 的变化值ΔSy 保持在±1mm 范围内时其直线段即 Sx 的对应长度较小只有 47mm；其位移 Sy即提升高度只有1631∙45mm不 能很好满足工作要求． （2） 堵头的速度分析．图3（b）中v x、v y 分别 为堵头 X 和 Y 轴方向的速度．从图中可以看出虽 然在进入渣口阶段堵头 v x 比较大符合快速堵渣 的要求然而 v y 有很明显的波动进一步说明了其 运动轨迹的直线度不高有颤动现象． （3） 滚子与立臂的接触力分析．从图3（c）中可 以看出由于系统惯性及封闭力的影响滚子与立臂 的接触力为零说明两者根本没有接触滚子与立臂 的跟随状况差并增加了随后滚子与挡块的弹性碰 撞这将严重影响重锤—滚子—摆杆系统与立臂间高 副约束的稳定并最终影响堵渣机工作的稳定性． （4） 滚子与挡块的接触力分析．滚子与挡块有 比较大的冲击性但总体接触状况良好． 总之从堵渣机的性能分析中可以看出现有堵 渣机的确存在着许多不足之处如直线长度与提升 高度不够高副接触封闭不稳定；特别是滚子与立臂 不接触将使机构在变结构中呈现不确定的状态堵 渣机工作不稳定．因此必须加以改进与优化以保 证其工作的可靠性． 1∙3 堵渣机的过约束分析 平面机构中普遍存在着过约束．由于不可避免 的制造误差及各种原因所引起的变形等都将破坏 “平面约束”的条件而导致出现某些非平面约束使 理论上不起作用的过约束成为“实约束”从而造成 机械系统运动的顺畅性及动力学性能恶化的有害影 响［4—5］．特别是堵渣机的工作环境非常恶劣其影 ·426· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第4期 罗金良等：高炉堵渣机的结构分析与优化设计 .427 响将更加突出，因此，分析堵渣机的过约束数量、分 度，采用位移矩阵法，按堵头运动轨迹的精确点建立 布和配置，进行自调结构设计，显得尤其重要 了轨迹综合方程[8]，对平移阶段的四杆机构 现采用详细公式与回路自由度法[5-]，对升降 CDEG进行了连杆轨迹的综合与优化，得到了堵渣 阶段进行过约束分析，其结果如表1所示 状态下C、D、E、G点位置的一组优化值，Cx、C,分 表1堵渣机升降阶段过约束分析 别表示C点的x、y坐标值，其他等同，单位为m, Table 1 Analysis of overconstraint for a stopper in lift phase 即：Cx=0,C,=0:Gx=0.507,G,=-0.081;E.= 运动副平面自由度 运动副空间自由度 0.447,E,=-1.889;D.=-0.070,D,=-1.984. 序号 分析 条件 ” f” 而原来的参数为：Cx=0,C,=0:Gx=0.494,G,= 1 Py=8 0 0 -8 000 -0.087;Ex=0.432,E,=-1.840;D2=-0.068, 2 PN-I -1 0 0 -1 0 0 3 Pu=1 -1 0 -1 0-1 -1 D,=-1.960. 4 3 3 3 3 333 2.2堵渣机传力及动力学参数的优化设计 6kf 1 3 -6 2 2 2 ·全局自由度 利用ADAMS强大的动力学分析功能，通过逐 ATBC -1-4 ABC T 0 0 渐改变相关参数进行搜索来求得较优的解1，). 局部自由度· ()滚子尺寸的优化设计.滚子半径的改进主 7 CLKF KF L L 要考虑：增加滚子半径可能改变提升过程中机构的 8 DEGL 9-19-1f005 0 0 0 运动学特性和提升高度：增加滚子半径可以使滚子 与立臂接触的综合曲率半径增大，改变接触状况，减 9-F -1 0-1 2 2 少碰撞及提高接触强度；便于自调结构设计.经虚 注：“负”数表示运动副所具有的自由度：“正”数表示所需的自由 拟样机反复分析，滚子的半径由原来的60mm优化 度（或过约束）；P:表示级别为i的运动副数量；k表示机构运动 为80mm. 链的回路数：f表示运动副自由度：ATBC、CLKF、DEGL分别表 (2)驱动参数的控制，液压缸的驱动参数（包 示机构的回路：带“，”的表示该运动副分析时只在一个回路出现： 括行程及位移规律等)，对堵渣机的工作性能，特别 q表示机构的过约束：F为机构的自由度 是对提升高度及系统工作的稳定性，有着显著的 由分析可见，在ATBC主动回路中，除具有一 影响 个移动的全局自由度外，缺损f,及f:两个空间自 通过虚拟样机的优化，液压缸驱动参数如下， 由度，即过约束；而在摆杆滚子回路CLKF中，滚子 下降过程：先以100mms-2的加速度，加速运 具有一个局部自由度：，这是必须且有益无害的， 行1s,移动距离为50mm,然后以100mms1的速 只缺损一个∫x自由度，当滚子铰链K或摆杆铰链 度匀速行驶；油缸总行程为600mm,总耗时为6.5s. F轴线存在方位误差时，该过约束x将造成滚子与 上升过程：先加速，再匀速，最后减速；加速和减 摆杆在接触线长度方向的局部接触和轴线接触应力 速的加速度数值均为100mms2,时间为1s,移动 的不均匀分布，而在DEGL回路中存在三个空间 距离均为50mm;匀速段的速度为100ms;油缸 过约束，即缺损三个空间自由度，是对误差最敏感的 总行程为600mm,总耗时为7s, 回路 而原机的驱动参数上升、下降均以200ms的 按照同样的方法分析可知，在平移和调整阶段 速度匀速驱动3s,总行程为600mm, 各存在五个空间过约束；而在闭锁阶段则存在九个 (3)滚子与立臂及机架封闭力的优化设计，滚 空间过约束；除闭锁阶段的CDW回路中的三个fx、 子与立臂跟随性的好坏很大程度上决定了机构的稳 、向转动过约束有助于堵头形成内力加压方 定性、运动的顺畅性及机构的动力学性能，其主要取 式，并长时间实现可靠堵塞之外，其余过约束的存 决于滚子、立臂、重锤系统的惯性质量参数，根据实 在，在运动副元素存在误差以及受堵渣机工作环境 际需要，通过虚拟样机进行优化设计：①短连架杆 的影响时，必将严重影响机构运动的顺畅性与自适 与重锤臂的夹角，由原来的90°优化为104.5°：②重 应性能 锤的重量也是提高跟随性的一个比较关键的因素， 经优化重锤臂长由原来350mm优化为450mm,同 2堵渣机的优化及自调结构设计 时重锤质量由原来的48kg优化为95.4kg· 2.1堵渣机运动学尺寸参数的优化 还进行了堵头封闭稳定性的优化设计等项目的 为保证堵头轨迹有足够的直线度以及提升高 优化，并将挡块与水平线的夹角B由56°改为50°
响将更加突出．因此分析堵渣机的过约束数量、分 布和配置进行自调结构设计显得尤其重要． 现采用详细公式与回路自由度法［5—7］对升降 阶段进行过约束分析其结果如表1所示． 表1 堵渣机升降阶段过约束分析 Table1 Analysis of overconstraint for a stopper in lift phase 注：“负”数表示运动副所具有的自由度；“正”数表示所需的自由 度（或过约束）；Pi 表示级别为 i 的运动副数量；k 表示机构运动 链的回路数；f 表示运动副自由度；ATBC、CL KF、DEGL 分别表 示机构的回路；带“·”的表示该运动副分析时只在一个回路出现； q 表示机构的过约束；F 为机构的自由度． 由分析可见在 A TBC 主动回路中除具有一 个移动的全局自由度外缺损 f″y 及 f′z 两个空间自 由度即过约束；而在摆杆滚子回路 CL KF 中滚子 具有一个局部自由度 f″z这是必须且有益无害的 只缺损一个 f″x 自由度当滚子铰链 K 或摆杆铰链 F 轴线存在方位误差时该过约束 f″x 将造成滚子与 摆杆在接触线长度方向的局部接触和轴线接触应力 的不均匀分布．而在 DEGL 回路中存在三个空间 过约束即缺损三个空间自由度是对误差最敏感的 回路． 按照同样的方法分析可知在平移和调整阶段 各存在五个空间过约束；而在闭锁阶段则存在九个 空间过约束；除闭锁阶段的 CDW 回路中的三个 f″x、 f″y、f″z 向转动过约束有助于堵头形成内力加压方 式并长时间实现可靠堵塞之外其余过约束的存 在在运动副元素存在误差以及受堵渣机工作环境 的影响时必将严重影响机构运动的顺畅性与自适 应性能． 2 堵渣机的优化及自调结构设计 2∙1 堵渣机运动学尺寸参数的优化 为保证堵头轨迹有足够的直线度以及提升高 度采用位移矩阵法按堵头运动轨迹的精确点建立 了轨 迹 综 合 方 程［8—9］对 平 移 阶 段 的 四 杆 机 构 CDEG 进行了连杆轨迹的综合与优化得到了堵渣 状态下 C、D、E、G 点位置的一组优化值Cx、Cy 分 别表示 C 点的 x、y 坐标值其他等同单位为 m 即：Cx＝0Cy＝0；Gx＝0∙507Gy＝—0∙081；Ex＝ 0∙447Ey＝—1∙889；Dx＝—0∙070Dy＝—1∙984． 而原来的参数为：Cx＝0Cy＝0；Gx＝0∙494Gy＝ —0∙087；Ex＝0∙432Ey＝—1∙840；Dx＝—0∙068 Dy＝—1∙960． 2∙2 堵渣机传力及动力学参数的优化设计 利用 ADAMS 强大的动力学分析功能通过逐 渐改变相关参数进行搜索来求得较优的解［13］． （1） 滚子尺寸的优化设计．滚子半径的改进主 要考虑：增加滚子半径可能改变提升过程中机构的 运动学特性和提升高度；增加滚子半径可以使滚子 与立臂接触的综合曲率半径增大改变接触状况减 少碰撞及提高接触强度；便于自调结构设计．经虚 拟样机反复分析滚子的半径由原来的60mm 优化 为80mm． （2） 驱动参数的控制．液压缸的驱动参数（包 括行程及位移规律等）对堵渣机的工作性能特别 是对提升高度及系统工作的稳定性有着显著的 影响． 通过虚拟样机的优化液压缸驱动参数如下． 下降过程：先以100mm·s —2的加速度加速运 行1s移动距离为50mm然后以100mm·s —1的速 度匀速行驶；油缸总行程为600mm总耗时为6∙5s． 上升过程：先加速再匀速最后减速；加速和减 速的加速度数值均为100mm·s —2时间为1s移动 距离均为50mm；匀速段的速度为100m·s —1 ；油缸 总行程为600mm总耗时为7s． 而原机的驱动参数上升、下降均以200m·s —1的 速度匀速驱动3s总行程为600mm． （3） 滚子与立臂及机架封闭力的优化设计．滚 子与立臂跟随性的好坏很大程度上决定了机构的稳 定性、运动的顺畅性及机构的动力学性能其主要取 决于滚子、立臂、重锤系统的惯性质量参数．根据实 际需要通过虚拟样机进行优化设计：① 短连架杆 与重锤臂的夹角由原来的90°优化为104∙5°；② 重 锤的重量也是提高跟随性的一个比较关键的因素 经优化重锤臂长由原来350mm 优化为450mm同 时重锤质量由原来的48kg 优化为95∙4kg． 还进行了堵头封闭稳定性的优化设计等项目的 优化并将挡块与水平线的夹角 β由56°改为50°． 第4期 罗金良等： 高炉堵渣机的结构分析与优化设计 ·427·
.428 北京科技大学学报 第30卷 经过优化后，得到了详细的机构基本构件的具体尺 示相应运动副的级别， 寸、重要构件的质心位置坐标及安装的相对位置， 在实践中对堵渣机的相关尺寸和结构全部进行了相 B n 应的改进与设计， 2.3堵渣机的自调结构设计 D (1)堵渣机的无过约束结构分析与运动副配 E— i V M G-N H V N I V N V I H V H V N V M 置，平面机构的自调结构设计，实质上就是通过优 F-MMN NMV H V NN V NN M V B V N V B V N V N V N V 化机构运动副类型的合理配置，消除或减少过约束 K-HNNHNNVNV NNVINHVNVH V VNN VN VV L 结构对误差的敏感，以达到提高机构的自调及自适 应性能的目的10).堵渣机为一变结构机构，考虑 图4堵渣机升降阶段运动副的优化配置流程 到机构在升降阶段参与的构件数最多，且几乎包含 Fig.4 Optimized configuration pattern about kinematic pairs of the 其他阶段的所有回路，故选择升降阶段的机构结构 stopper in lift phase 形式作为机构运动副配置方案的基础方式来进行 A(N) 讨论 AN) 根据过约束数计算公式可g=F+6k一∑∫，满 Ⅲ)2 足过约束为零的配置，g=0,k=3,F=3(含两个局 G,K结构示意图 部自由度)，且滚轮K与立臂CDE为Ⅱ级运动副， GV) 其余的运动副普遍采用的Ⅲ、N、V级低副，那么过 约束数计算公式可以整理为： Sf=6k+F-q=Pv+2PN+3Pm+4Pn=21 E(I D(N) 6 (1) 机构运动副总数为： ∑P.=Pv+Pw+Pm十Pm=10 图5机构自调自适应运动副配置 (2) Fig.5 Configuration pattern of kinematic pairs with self-adjustment 联立式(1)、(2)求解可得整个系统无过约束的 运动副配置解为四组： 依据运动副的优化配置方案，可以结合详细公 ①Pv=2,Pv=6,Pm=1,PⅡ=1； 式法与回路自由度法分析堵渣机各个工作阶段机构 2PV=3,PN=4,P=2,PI=1; 的过约束，以验证堵渣机零过约束自调结构设计的 3 PV=4,PN=2,Pm=3,PI=1; 正确性， Py=5,PN=0,P=4,PI=1. 通过分析，在闭锁阶段，由于堵头与渣口间存在 按照同样的方法可以求得满足每一回路无过约 内力加压，导致CDW回路中仍然存在三个空间过 束的解，最终可以得到运动副的配置为：Pv=3, 约束，正是这三个过约束满足了堵渣机的堵头一直 Pv=4,Pm=2,PI=1.其中ATBC回路为Pv= 保持与渣口可靠地接触，达到长时间可靠地堵塞的 目的，其他阶段，除增加了对机构性能无害的构件 1,Pw=2,Pm=1;CLDEGKF回路为Pv=3, TB的转动局部自由度之外，系统的过约束都得到 P=2,Pm=1,Pm=1.其单一运动副的配置方法 了很好的消除. 如图4所示，其中C为V级副，L为Ⅱ级副 另外，由于堵渣杆的D、E运动副分别为N级 在27种组合中，按照自调运动实现的实际可能 圆柱副和Ⅲ级球面副，使堵杆具有z向运动的可 性，制造安装等的可行性以及保持机构平面运动性 能，即可以出现堵渣杆DE绕E点的y轴转动的自 质等因素，选择AN TNBⅢCV DN EⅢGV FV KN 调自由度，该z向运动还可作为堵头与渣口间存在 L,配置为机构的运动副优化配置方案，其下标分别 Z向位置误差的自适应调整的自适应自由度，从而 表示各运动副的级别 使机构具有了更加完善的（能适应y、z两个方向） (2)堵渣机的自调结构设计.按照上述选取的 自适应功能， 运动副优化配置方案，再考虑到便于制造和安装，将 同时，由于运动副K采用了山级运动副，增加 原方案中的Kⅳ球销副改为Ⅲ级球面副，可以得到 了滚子y向转动的局部自由度，这样可以保证滚子 如图5所示的自调结构机构简图，括号中的数字表 与立臂之间的线接触，进一步改善了滚子与立臂的
经过优化后得到了详细的机构基本构件的具体尺 寸、重要构件的质心位置坐标及安装的相对位置． 在实践中对堵渣机的相关尺寸和结构全部进行了相 应的改进与设计． 2∙3 堵渣机的自调结构设计 （1） 堵渣机的无过约束结构分析与运动副配 置．平面机构的自调结构设计实质上就是通过优 化机构运动副类型的合理配置消除或减少过约束 结构对误差的敏感以达到提高机构的自调及自适 应性能的目的［10—11］．堵渣机为一变结构机构考虑 到机构在升降阶段参与的构件数最多且几乎包含 其他阶段的所有回路故选择升降阶段的机构结构 形式作为机构运动副配置方案的基础方式来进行 讨论． 根据过约束数计算公式［5］ q＝ F＋6k—∑ f满 足过约束为零的配置q＝0k＝3F＝3（含两个局 部自由度）且滚轮 K 与立臂 CDE 为Ⅱ级运动副 其余的运动副普遍采用的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级低副那么过 约束数计算公式可以整理为： ∑ f＝6k＋F—q＝PⅤ＋2PⅣ＋3PⅢ＋4PⅡ＝21 （1） 机构运动副总数为： ∑Pi＝PⅤ＋PⅣ＋PⅢ＋PⅡ＝10 （2） 联立式（1）、（2）求解可得整个系统无过约束的 运动副配置解为四组： ① PⅤ＝2PⅣ＝6PⅢ＝1PⅡ＝1； ② PⅤ＝3PⅣ＝4PⅢ＝2PⅡ＝1； ③ PⅤ＝4PⅣ＝2PⅢ＝3PⅡ＝1； ④ PⅤ＝5PⅣ＝0PⅢ＝4PⅡ＝1． 按照同样的方法可以求得满足每一回路无过约 束的解最终可以得到运动副的配置为：PⅤ ＝3 PⅣ＝4PⅢ＝2PⅡ＝1．其中 A TBC 回路为 PⅤ＝ 1PⅣ ＝2PⅢ ＝1；CLDEGKF 回路为 PⅤ ＝3 PⅣ＝2PⅢ＝1PⅡ＝1．其单一运动副的配置方法 如图4所示其中 C 为 V 级副L 为Ⅱ级副． 在27种组合中按照自调运动实现的实际可能 性制造安装等的可行性以及保持机构平面运动性 质等因素选择 A Ⅳ T Ⅳ BⅢ CⅤ DⅣ EⅢ GⅤ FⅤ KⅣ L Ⅱ配置为机构的运动副优化配置方案其下标分别 表示各运动副的级别． （2） 堵渣机的自调结构设计．按照上述选取的 运动副优化配置方案再考虑到便于制造和安装将 原方案中的 KⅣ球销副改为Ⅲ级球面副可以得到 如图5所示的自调结构机构简图括号中的数字表 示相应运动副的级别． 图4 堵渣机升降阶段运动副的优化配置流程 Fig．4 Optimized configuration pattern about kinematic pairs of the stopper in lift phase 图5 机构自调自适应运动副配置 Fig．5 Configuration pattern of kinematic pairs with self-adjustment 依据运动副的优化配置方案可以结合详细公 式法与回路自由度法分析堵渣机各个工作阶段机构 的过约束以验证堵渣机零过约束自调结构设计的 正确性． 通过分析在闭锁阶段由于堵头与渣口间存在 内力加压导致 CDW 回路中仍然存在三个空间过 约束正是这三个过约束满足了堵渣机的堵头一直 保持与渣口可靠地接触达到长时间可靠地堵塞的 目的．其他阶段除增加了对机构性能无害的构件 TB 的转动局部自由度之外系统的过约束都得到 了很好的消除． 另外由于堵渣杆的 D、E 运动副分别为Ⅳ级 圆柱副和Ⅲ级球面副使堵杆具有 z 向运动的可 能即可以出现堵渣杆 DE 绕 E 点的 y 轴转动的自 调自由度．该 z 向运动还可作为堵头与渣口间存在 Z 向位置误差的自适应调整的自适应自由度．从而 使机构具有了更加完善的（能适应 y、z 两个方向） 自适应功能． 同时由于运动副 K 采用了Ⅲ级运动副增加 了滚子 y 向转动的局部自由度这样可以保证滚子 与立臂之间的线接触进一步改善了滚子与立臂的 ·428· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷