D01:10.13374/i.issn1001t63x.2010.08.031 第32卷第8期 北京科技大学学报 Vol 32 No 8 2010年8月 Journal of Un iversity of Science and Techno lgy Beijing Aug 2010 高炉开铁口机铰链磨损问题的仿真分析与优化设计 姚瑞娟于晓红朱允言 霍元明 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要为解决KDA型开铁口机旋转机构铰链的磨损失效问题，对机构的运动学和动力学仿真建立了机构综合分析平台并 以组合磨损计算模型为基础计算相应磨损量·以减缓铰链磨损速度及减轻磨损不均为优化目标，以机构尺寸为设计变量，以 不损失其他设计指标为约束条件进行优化设计·结果表明，通过调整设计尺寸以优化机构运动学和动力学性能，是解决传动 精度降低、磨损失效等机构问题的有效途径 关键词高炉；铰链：磨损：仿真：优化 分类号T℉321.5 Simulation analysis and optim ization design of the wear problen of hinges in tap -hole drillm ach ines YAO Rui-jan YU Xiao hong ZHU Yun yan HUO Yuanm ing School ofM echanical Engineering University Science and Technology Beijng Beijing 100083 China ABSTRACT To solve the wear failure problem existing in the hinges of the rotary mechanism in a KDIA tap-hole drill machine a comprehensive analysis platfom was established hrough kinematic and dynamn ic smulations of the mechanis and the corresponding wear depth was calculated based on a combined wear calculation model The optin ization design was conducted for slw ing down the velcity and lightening the unevenness of hinge wear usng the mechanian diensions as design variables and no loss of other design specifications as constraints The results show that opti izing the kmnematic and dynam ic perfom ance of the mechan isn through resiz" ing the design diensions is an effective way of solving mechan ism problems such as trans ission accuracy losing and wear failre KEY WORDS blast fumace hinge weas siulation:optin ization 铰链磨损是机构传动精度降低和失效的主要形 影响机理，最终在分析结果基础上对机构尺寸进行 式山，因此磨损计算和预测一直备受关注，过去50 了优化，提高了机构传动的可靠性. 多年内，有300多个针对铰链磨损的公式提出，上千 篇关于机构磨损的论文发表[)，这些研究大多着力 1KDA型开铁口机 于寻找一个适用范围更广或考虑参数更全面的公式 KDA型开铁口机主要针对国内容积为1000~ 或研究方法，本文是对现有模型的具体实践，其中 3000m的高炉设计，与液压泥炮同侧布置，其旋转 参数获取方法、问题分析角度及结论对于一般机构 机构简图如图1由AB、CD.E和F等处六个旋转 磨损问题的研究具有参考意义， 副和一个移动副组成 本文以KDA型开铁口机为例，以组合磨损计 现行设计存在的问题是B和C处铰链处的自 算模型为基础对其铰链磨损问题进行了数值仿真， 润滑铜套磨损较快，运行一段时间后对机构传动精 并探讨了机构的运动学和动力学参数对铰链磨损的 度影响较大，尤其是C处铜套需频繁更换，增大了 收稿日期：2009-11-17 作者简介：姚瑞娟(198仁)，女，硕士研究生；于晓红(1953)，女，教授，Email xhyu@us曲ccm
第 32卷 第 8期 2010年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．8 Ａｕｇ．2010 高炉开铁口机铰链磨损问题的仿真分析与优化设计 姚瑞娟 于晓红 朱允言 霍元明 北京科技大学机械工程学院北京 100083 摘 要 为解决 ＫＤＩＡ型开铁口机旋转机构铰链的磨损失效问题对机构的运动学和动力学仿真建立了机构综合分析平台并 以组合磨损计算模型为基础计算相应磨损量．以减缓铰链磨损速度及减轻磨损不均为优化目标以机构尺寸为设计变量以 不损失其他设计指标为约束条件进行优化设计．结果表明通过调整设计尺寸以优化机构运动学和动力学性能是解决传动 精度降低、磨损失效等机构问题的有效途径． 关键词 高炉；铰链；磨损；仿真；优化 分类号 ＴＦ321∙5 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｗｅａｒｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆｈｉｎｇｅｓｉｎ ｔａｐ-ｈｏｌｅｄｒｉｌｌｍａｃｈｉｎｅｓ ＹＡＯＲｕｉ-ｊｕａｎＹＵＸｉａｏ-ｈｏｎｇＺＨＵＹｕｎ-ｙａｎＨＵＯＹｕａｎ-ｍｉｎｇ ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＴｏｓｏｌｖｅｔｈｅｗｅａｒｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｂｌｅｍｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｔｈｅｈｉｎｇｅｓｏｆｔｈｅｒｏｔａｒｙｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｎａＫＤＩＡｔａｐ-ｈｏｌｅｄｒｉｌｌｍａｃｈｉｎｅａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｒｏｕｇｈｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｗｅａｒｄｅｐｔｈｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎａｃｏｍｂｉｎｅｄｗｅａｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｏｒｓｌｏｗｉｎｇｄｏｗｎｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｌｉｇｈｔｅｎｉｎｇｔｈｅｕｎｅｖｅｎｎｅｓｓｏｆｈｉｎｇｅｗｅａｒｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓａｓｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓａｎｄｎｏｌｏｓｓｏｆｏｔｈｅｒｄｅｓｉｇｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓａｓｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｔｈｒｏｕｇｈｒｅｓｉｚ- ｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｏｆｓｏｌｖｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｐｒｏｂｌｅｍｓｓｕｃｈａｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｌｏｓｉｎｇａｎｄｗｅａｒｆａｉｌｕｒｅ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅ；ｈｉｎｇｅ；ｗｅａｒ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 收稿日期：2009--11--17 作者简介：姚瑞娟 （1984— ）女硕士研究生；于晓红 （1953— ）女教授Ｅ-ｍａｉｌ：ｘｈｙｕ＠ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 铰链磨损是机构传动精度降低和失效的主要形 式 ［1］因此磨损计算和预测一直备受关注．过去 50 多年内有 300多个针对铰链磨损的公式提出上千 篇关于机构磨损的论文发表 ［2］这些研究大多着力 于寻找一个适用范围更广或考虑参数更全面的公式 或研究方法．本文是对现有模型的具体实践其中 参数获取方法、问题分析角度及结论对于一般机构 磨损问题的研究具有参考意义． 本文以 ＫＤＩＡ型开铁口机为例以组合磨损计 算模型为基础对其铰链磨损问题进行了数值仿真 并探讨了机构的运动学和动力学参数对铰链磨损的 影响机理最终在分析结果基础上对机构尺寸进行 了优化提高了机构传动的可靠性． 1 ＫＤＩＡ型开铁口机 ＫＤＩＡ型开铁口机主要针对国内容积为 1000～ 3000ｍ 3的高炉设计与液压泥炮同侧布置其旋转 机构简图如图 1由 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ和 Ｆ等处六个旋转 副和一个移动副组成． 现行设计存在的问题是 Ｂ和 Ｃ处铰链处的自 润滑铜套磨损较快运行一段时间后对机构传动精 度影响较大尤其是 Ｃ处铜套需频繁更换增大了 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2010．08．031
第8期 姚瑞娟等：高炉开铁口机铰链磨损问题的仿真分析与优化设计 .1061. 可根据摩擦副构件的相对转角值判断接触次数N, 各点实际磨损量是N次磨损的叠加值).N也是影 响磨损量的重要因素，铰链B、C和F磨损域上大部 分接触点磨损两次，D和E上各点均磨损一次， 图2滑动磨损的连续接触模型 Fige 2 Continuous contact model of slidng friction 组合磨损模型因其宏观性和简便性被普遍用于 图1KDA型开铁口机旋转机构简图 工程预测山，它将诸多微观和复杂影响参数用一个 Fig 1 Rotary mechania of a KDIA taphole machine 宏观系数K替代，K一般用经验法和实验法确 维修频率 定10) 机构的运动学和动力学仿真可得到包括集中载 2磨损计算模型与结果分析 荷、相对转角速度及角加速度在内的各种过程曲线， 2.1组合磨损计算模型 通过对上述曲线的后处理可得到B、G、D、E和F各 磨损现象十分复杂，与摩擦副的材料、表面形 点的接触应力（如图3）和相对滑动速度曲线（如图 态、润滑状况以及所受载荷、滑动速度、工作温度等 4),其中接触应力根据Hers接触理论计算1-). 均有关)，常用的磨损数值模型主要基于Reye假说 2.0 和A rchard方程两种理论[).Ahad方程主要适用 15 于滑动摩擦副在低速和低应力下的磨损预测，是很 多滑动磨损模型的理论基础B-],其中[IPOHHKOB 1.0 提出的组合磨损计算模型被广泛用于铰链磨损和间 g0.5 隙计算，其基本公式为： P dh-Kpvdt (1) 375 75.0112.5150.0 式中，h为径向磨损深度：K为工况条件系数，与材 转臂转角) 料、表面品质和润滑状态等因素有关；P为接触应 图3各摩擦副最大接触应力曲线 力；v为轴和孔接触点处的相对滑动速度， Fig 3 Curves ofmaximum contact pressure of friction pairs KDA型开铁口机旋转机构的运动周期包括从 非工作位置旋转至工作位置以及由工作位置旋转至 0.030 非工作位置两阶段，由于旋转机构慢进快退的工作 0.025 特点，两阶段执行构件的旋转速度不同，但运动轨迹 0.020 相同，因此用旋转速度较大的后一阶段的铰链磨损 量来预测所用铜套的使用寿命。若用N表示各接触 点在该阶段的接触次数，则单次旋转后各接触点的 室0.0s 37.5 75.0 112.5 150.0 组合磨损深度可近似由下式计算： 转臂转角) (Kepv十K.elpv） (2) 图4各摩擦副相对滑动速度曲线 Fig 4 Curves of relative sliding velocity of friction pairs 2.2参数计算及分析 KDA型开铁口机属于低速重载机械，轴和孔 由图3知，B处和C处接触应力相对最小且波 的接触可视为连续接触，将接触弧离散为若干微弧， 动不大，因此接触应力本身并非是导致两，点磨损较 即接触点，如图2所示，d表示某时刻的接触点，1 快的主要原因；由图4知，D、E和F三处构件的相 表示磨损域，由于旋转机构中不存在整转副，因此 对滑动较平稳，而B、C两处有较大的加速度，加速
第 8期 姚瑞娟等： 高炉开铁口机铰链磨损问题的仿真分析与优化设计 图 1 ＫＤＩＡ型开铁口机旋转机构简图 Ｆｉｇ．1 ＲｏｔａｒｙｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａＫＤＩＡｔａｐ-ｈｏｌｅｍａｃｈｉｎｅ 维修频率． 2 磨损计算模型与结果分析 2∙1 组合磨损计算模型 磨损现象十分复杂与摩擦副的材料、表面形 态、润滑状况以及所受载荷、滑动速度、工作温度等 均有关 ［3］常用的磨损数值模型主要基于 Ｒｅｙｅ假说 和 Ａｒｃｈａｒｄ方程两种理论 ［4］．Ａｒｃｈａｒｄ方程主要适用 于滑动摩擦副在低速和低应力下的磨损预测是很 多滑动磨损模型的理论基础 ［5--8］其中 Проников 提出的组合磨损计算模型被广泛用于铰链磨损和间 隙计算其基本公式为： ｄｈ＝Ｋｐｖｄｔ （1） 式中ｈ为径向磨损深度；Ｋ为工况条件系数与材 料、表面品质和润滑状态等因素有关；ｐ为接触应 力；ｖ为轴和孔接触点处的相对滑动速度． ＫＤＩＡ型开铁口机旋转机构的运动周期包括从 非工作位置旋转至工作位置以及由工作位置旋转至 非工作位置两阶段．由于旋转机构慢进快退的工作 特点两阶段执行构件的旋转速度不同但运动轨迹 相同因此用旋转速度较大的后一阶段的铰链磨损 量来预测所用铜套的使用寿命．若用 Ｎ表示各接触 点在该阶段的接触次数则单次旋转后各接触点的 组合磨损深度可近似由下式计算： ｈ＝∑ Ｎ ｎ＝1 （Ｋｃｏｐｐｅｒｐｖ＋Ｋｓｔｅｅｌｐｖ） （2） 2∙2 参数计算及分析 ＫＤＩＡ型开铁口机属于低速重载机械轴和孔 的接触可视为连续接触将接触弧离散为若干微弧 即接触点．如图 2所示ｄｓ表示某时刻的接触点ｌ 表示磨损域．由于旋转机构中不存在整转副因此 可根据摩擦副构件的相对转角值判断接触次数 Ｎ 各点实际磨损量是 Ｎ次磨损的叠加值 ［9］．Ｎ也是影 响磨损量的重要因素铰链 Ｂ、Ｃ和 Ｆ磨损域上大部 分接触点磨损两次Ｄ和 Ｅ上各点均磨损一次． 图 2 滑动磨损的连续接触模型 Ｆｉｇ．2 Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｏｎｔａｃｔｍｏｄｅｌｏｆｓｌｉｄｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎ 组合磨损模型因其宏观性和简便性被普遍用于 工程预测 ［4］它将诸多微观和复杂影响参数用一个 宏观系数 Ｋ替代Ｋ一般用经验法和实验法确 定 ［110］． 机构的运动学和动力学仿真可得到包括集中载 荷、相对转角速度及角加速度在内的各种过程曲线． 通过对上述曲线的后处理可得到 Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ和 Ｆ各 点的接触应力 （如图 3）和相对滑动速度曲线 （如图 4）其中接触应力根据 Ｈｅｒｔｓ接触理论计算 ［111--12］． 图 3 各摩擦副最大接触应力曲线 Ｆｉｇ．3 Ｃｕｒｖｅｓｏｆｍａｘｉｍｕｍｃｏｎｔａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｓ 图 4 各摩擦副相对滑动速度曲线 Ｆｉｇ．4 Ｃｕｒｖｅｓｏｆｒｅｌａｔｉｖｅｓｌｉｄｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｓ 由图 3知Ｂ处和 Ｃ处接触应力相对最小且波 动不大因此接触应力本身并非是导致两点磨损较 快的主要原因；由图 4知Ｄ、Ｅ和 Ｆ三处构件的相 对滑动较平稳而 Ｂ、Ｃ两处有较大的加速度加速 ·1061·
,1062, 北京科技大学学报 第32卷 度不但会增加磨损系数，还会引起冲击等附加动作 由图5知，B、C处铰链磨损量较大且磨损不均， 进而加剧磨损，因此减小两处加速度从而加强运动 尤其是C处磨损曲线存在多个尖点，从而会加剧冲 的平稳性是优化目标之一· 击和振动，进而加剧磨损，此结果与实际使用情况 2.3组合磨损量结果及分析 相符，因此可推断使用此数值模型对机构进行优化 根据式(2)对接触应力曲线和相对滑动速度曲 设计所得结果具有可靠性， 线进行运算，并将多次磨损弧段的磨损量叠加后得 图5 3旋转机构优化设计及分析 从磨损角度提高机构运动可靠性可由两个方面 进行：减缓磨损以及减小设备性能对磨损间隙的敏 6 感度，减缓磨损量要求摩擦副有较小且相对平稳的 循环载荷和滑动速度；降低敏感度即要求机构运动 4 不会因磨损间隙的产生而有较大变化， 如图1，决定旋转机构主要结构的尺寸为机架 的长度L及角度a,以及GD、E、F四点的坐标，因 23.75 47.50 71.25 95.00 此以诚小两铰链点最大磨损量为优化目标，以不增 磨损角门 加或较少增加其他铰链点磨损以及其他设计指标为 图5各摩擦副磨损量曲线 约束条件，以主要结构尺寸为设计变量建立优化模 Fig 5 W ear depth curves of friction pairs 型如表1所示 表1机构尺寸优化设计模型 Table 1 Optin iation design model ofmechanisn dinensions 优化目标 设计变量 约束函数 mn (max (hg)). L a Xc:Yc:Xp:Yp mar(hac≤mar(hc)o mn (max (hc)) XE YE XF:YF max (hp Er1.2max ho E F )o. (uc区(ec)o X≤(X)0 为提高优化效率，首先分15级对模型进行试验 表2变量变化范围及h对变量初值和终值的敏感度 设计，以判断各变量在初始值附近（根据各点的实 Table 2 Sensitivities of h to the initial and final variable values 际位置设定变化范围)的敏感度、敏感度表示自变 变量 初值处 变量 终值处 变量名 量的变化引起目标函数值变化的程度，敏感度绝对 初值 敏感度 终值 敏感度 值越小说明目标函数对该方向间隙的适应性越强， AB 460 4.3139×10-5 475 6.5187×10-7 因此希望得到绝对值较小的敏感度以提高机构可靠 135 2.8247X10-5 140 -2.9078X10-6 性.然后选择初值敏感度（见表2）较大的B,α，X X -136 -5.6476X10-5 -90 -2.6549×10-7 和Y为设计变量进行优化设计，之后重新考察终值 Ye -527 -3.2799X10-5 567 3.5364×10-6 敏感度大小 Xp -345 2.8355×10-6 -345 4.9403×10-6 200 图6和7分别表示磨损最严重的C处铰链优化 Yp -2.6941X10-6 -200-4.4677×10-6 前后磨损量和角加速度的对比曲线，通过对曲线分 七 -165-1.0645×10-6 -165 4.5590×10-6 YE 515 2.6032×10-6 -515 析知C处平均磨损量降为原来的68%左右，平均角 4.8887X10-6 -1658-5.7806×10-8 -1658 7.1673×10-9 加速度减小为原来的74%左右，B处的磨损状况以 340 8.4260×10-8 340 2.5523×10-8 及旋转机构的其他设计指标（如表1中约束条件） 优化后也有相应改善.因此对旋转机构尺寸优化既 减缓了铰链点的磨损又增加了设备对各个方向磨损 4结论 间隙的适应性， (1)B、C处铰链磨损值相对较大且磨损曲线存
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 度不但会增加磨损系数还会引起冲击等附加动作 进而加剧磨损因此减小两处加速度从而加强运动 的平稳性是优化目标之一． 2∙3 组合磨损量结果及分析 根据式 （2）对接触应力曲线和相对滑动速度曲 线进行运算并将多次磨损弧段的磨损量叠加后得 图 5． 图 5 各摩擦副磨损量曲线 Ｆｉｇ．5 Ｗｅａｒｄｅｐｔｈｃｕｒｖｅｓｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｓ 由图 5知Ｂ、Ｃ处铰链磨损量较大且磨损不均 尤其是 Ｃ处磨损曲线存在多个尖点从而会加剧冲 击和振动进而加剧磨损．此结果与实际使用情况 相符因此可推断使用此数值模型对机构进行优化 设计所得结果具有可靠性． 3 旋转机构优化设计及分析 从磨损角度提高机构运动可靠性可由两个方面 进行：减缓磨损以及减小设备性能对磨损间隙的敏 感度．减缓磨损量要求摩擦副有较小且相对平稳的 循环载荷和滑动速度；降低敏感度即要求机构运动 不会因磨损间隙的产生而有较大变化． 如图 1决定旋转机构主要结构的尺寸为机架 的长度 Ｌ及角度 α以及 Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ四点的坐标．因 此以减小两铰链点最大磨损量为优化目标以不增 加或较少增加其他铰链点磨损以及其他设计指标为 约束条件以主要结构尺寸为设计变量建立优化模 型如表 1所示． 表 1 机构尺寸优化设计模型 Ｔａｂｌｅ1 Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｍｏｄｅｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｓｍｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ 优化目标 设计变量 约束函数 ｍｉｎ（ｍａｘ（ｈＢ）） ＬαＸＣＹＣＸＤＹＤ ｍａｘ（ｈＢＣ）≤ｍａｘ（ｈＢＣ）0 ｍｉｎ（ｍａｘ（ｈＣ）） ＸＥＹＥＸＦＹＦ ｍａｘ（ｈＤＥＦ）≤1∙2ｍａｘ（ｈＤＥＦ）0 （ａＢＣ）≤ （ａＢＣ）0 ＸＨ≤ （ＸＨ ）0 为提高优化效率首先分 15级对模型进行试验 设计以判断各变量在初始值附近 （根据各点的实 际位置设定变化范围 ）的敏感度．敏感度表示自变 量的变化引起目标函数值变化的程度敏感度绝对 值越小说明目标函数对该方向间隙的适应性越强 因此希望得到绝对值较小的敏感度以提高机构可靠 性．然后选择初值敏感度 （见表 2）较大的 ＢαＸＣ 和 ＹＣ为设计变量进行优化设计之后重新考察终值 敏感度大小． 图6和7分别表示磨损最严重的 Ｃ处铰链优化 前后磨损量和角加速度的对比曲线通过对曲线分 析知 Ｃ处平均磨损量降为原来的 68％左右平均角 加速度减小为原来的 74％左右．Ｂ处的磨损状况以 及旋转机构的其他设计指标 （如表 1中约束条件 ） 优化后也有相应改善．因此对旋转机构尺寸优化既 减缓了铰链点的磨损又增加了设备对各个方向磨损 间隙的适应性． 表 2 变量变化范围及 ｈＣ对变量初值和终值的敏感度 Ｔａｂｌｅ2 ＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆｈＣｔｏｔｈｅｉｎｉｔｉａｌａｎｄｆｉｎａｌｖａｒｉａｂｌｅｖａｌｕｅｓ 变量名 变量 初值 初值处 敏感度 变量 终值 终值处 敏感度 ＡＢ 460 4∙3139×10—5 475 6∙5187×10—7 α 135 2∙8247×10—5 140 —2∙9078×10—6 ＸＣ —136 —5∙6476×10—5 —90 —2∙6549×10—7 ＹＣ —527 —3∙2799×10—5 567 3∙5364×10—6 ＸＤ —345 2∙8355×10—6 —345 4∙9403×10—6 ＹＤ 200 —2∙6941×10—6 —200 —4∙4677×10—6 ＸＥ —165 —1∙0645×10—6 —165 4∙5590×10—6 ＹＥ 515 2∙6032×10—6 —515 4∙8887×10—6 ＸＦ —1658 —5∙7806×10—8 —1658 7∙1673×10—9 ＹＦ 340 8∙4260×10—8 340 2∙5523×10—8 4 结论 （1） Ｂ、Ｃ处铰链磨损值相对较大且磨损曲线存 ·1062·
第8期 姚瑞娟等：高炉开铁口机铰链磨损问题的仿真分析与优化设计 .1063. 5.00 有效途径 日3.75 …h(优化前) 参考文献 2 一（优化后） [1]Guo ZG.Feng Y W,Feng Y S Reliability analysis and calcula- tion method of hnge wear J Northwest Poly tech Univ 2006 24 垂1.25 (5):644 (国志刚，冯蕴雯，冯元生·较链磨损可靠性分析及计算方法 37.5 75.0112.5150.0 西北工业大学学报，2006,24(5)：644) 转臂转角() [2]Ludena K C.Mechanim based modeling of friction and wear 图6C点磨损量优化前后结果对比 Wcmr1996200(12):1 Fig 6 Camparison in wear depth of H inge C before and after optin i [3]Wen SZ Huang P.Tribobgy Principle 3d Ed Beijing Tsing zation hua University Press 2008 (温诗铸，黄平.摩擦学原理.3版北京：清华大学出版社， 0.348 2008) 0.261 一a(优化前) [4]Archanl J F.Contact and nubbing of flat surfaces J Appl Phys 一aA优化后) 195324(8):981 0.174 [5]Floms P Modeling and smultion of wear in revolite clearnce joints n multibody systoms Mech Mach Theory:2009.44 (6): 1211 37.5 75.0112.5150.0 [6]Andersson S Sodetberg A.O lofsson U.A randan wearmodel for 转臂转角) the nteraction beteen a mough and a smooth surface Wear 图7C点相对角加速度优化前后结果对比 2008264(910):763 Fig 7 Camparison in angle acceleration of Hinge C before and after [7]HopkinsA R.Wear n the pmosthetic shoulleg association with optin ization design parmeters J Bimech Eng 2007.129(2):223 [8]MengH C Ludena K C W ear models and predictive equations 在尖点，导致磨损不均，此计算结果与实际使用情况 their fom and content Wear 1995.181-183.443 相符. [9]George M.Ki IY.Design optin ization of a total hip pmosthesis (2)利用磨损数值模型进行优化设计，可取得 for wear reduction J Biamech Eng 2009 131(5):1 较好的优化结果. [10]Torrance A A.A method for calculating boundary friction and (3)机构仿真是解决磨损数值计算问题的一种 wear Wear2005258(56):924 实用方法，结果方便直观，既摆脱了对实验法的依赖 [11]MuoserM H.R igomus fieH-theoretical appmoach to the contact 又避免了复杂数值模型的大量计算，是分析铰链磨 mechanies of mugh elastic solids PhysRev Lett 2008 100(5): 1 损失效原因和观察磨损趋势的新途径 [12]Govindanajan N.Gnananoorthy R.Computation of sliding fric- (4)通过调整设计尺寸以优化机构运动学和动 tion and ratcheting stran of sintered and haened steels under 力学性能，是解决传动精度、磨损失效等机构问题的 contact ftigue conditions J Biomech Eng 2008 130(4):1
第 8期 姚瑞娟等： 高炉开铁口机铰链磨损问题的仿真分析与优化设计 图 6 Ｃ点磨损量优化前后结果对比 Ｆｉｇ．6 ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｉｎｗｅａｒｄｅｐｔｈｏｆＨｉｎｇｅＣｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉ- ｚａｔｉｏｎ 图 7 Ｃ点相对角加速度优化前后结果对比 Ｆｉｇ．7 ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｉｎａｎｇｌｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆＨｉｎｇｅＣｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 在尖点导致磨损不均此计算结果与实际使用情况 相符． （2） 利用磨损数值模型进行优化设计可取得 较好的优化结果． （3） 机构仿真是解决磨损数值计算问题的一种 实用方法结果方便直观既摆脱了对实验法的依赖 又避免了复杂数值模型的大量计算是分析铰链磨 损失效原因和观察磨损趋势的新途径． （4） 通过调整设计尺寸以优化机构运动学和动 力学性能是解决传动精度、磨损失效等机构问题的 有效途径． 参 考 文 献 ［1］ ＧｕｏＺＧＦｅｎｇＹＷＦｅｎｇＹＳ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃａｌｃｕｌａ- ｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｈｉｎｇｅｗｅａｒ．ＪＮｏｒｔｈｗｅｓｔＰｏｌｙｔｅｃｈＵｎｉｖ200624 （5）：644 （国志刚冯蕴雯冯元生．铰链磨损可靠性分析及计算方法． 西北工业大学学报200624（5）：644） ［2］ ＬｕｄｅｍａＫ Ｃ．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ-ｂａｓｅｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒ． Ｗｅａｒ1996200（1／2）：1 ［3］ ＷｅｎＳＺＨｕａｎｇＰ．ＴｒｉｂｏｌｏｇｙＰｒｉｎｃｉｐｌｅ．3ｒｄＥｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｔｓｉｎｇ- ｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ2008 （温诗铸黄平．摩擦学原理．3版．北京：清华大学出版社 2008） ［4］ ＡｒｃｈａｒｄＪＦ．Ｃｏｎｔａｃｔａｎｄｒｕｂｂｉｎｇｏｆｆｌａｔｓｕｒｆａｃｅｓ．ＪＡｐｐｌＰｈｙｓ 195324（8）：981 ［5］ ＦｌｏｒｅｓＰ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅａｒｉｎｒｅｖｏｌｕｔｅｃｌｅａｒａｎｃｅ ｊｏｉｎｔｓｉｎｍｕｌｔｉｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍｓ．ＭｅｃｈＭａｃｈＴｈｅｏｒｙ200944（6）： 1211 ［6］ ＡｎｄｅｒｓｓｏｎＳＳöｄｅｒｂｅｒｇＡＯｌｏｆｓｓｏｎＵ．Ａｒａｎｄｏｍｗｅａｒｍｏｄｅｌｆｏｒ ｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎａｒｏｕｇｈａｎｄａｓｍｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅ．Ｗｅａｒ 2008264（9／10）：763 ［7］ ＨｏｐｋｉｎｓＡＲ．Ｗｅａｒｉｎｔｈｅｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃｓｈｏｕｌｄｅｒ：ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｗｉｔｈ ｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＪＢｉｏｍｅｃｈＥｎｇ2007129（2）：223 ［8］ ＭｅｎｇＨＣＬｕｄｅｍａＫＣ．Ｗｅａｒｍｏｄｅｌｓａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｅｑｕａｔｉｏｎｓ： ｔｈｅｉｒｆｏｒｍａｎｄｃｏｎｔｅｎｔ．Ｗｅａｒ1995181--183：443 ［9］ ＧｅｏｒｇｅＭＫｉｍＩＹ．Ｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａｔｏｔａｌｈｉｐｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ ｆｏｒｗｅａｒｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．ＪＢｉｏｍｅｃｈＥｎｇ2009131（5）：1 ［10］ ＴｏｒｒａｎｃｅＡ Ａ．Ａ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｂｏｕｎｄａｒｙｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄ ｗｅａｒ．Ｗｅａｒ2005258（5／6）：924 ［11］ ＭｕöｓｅｒＭ Ｈ．Ｒｉｇｏｒｏｕｓｆｉｅｌｄ-ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｔｏｔｈｅｃｏｎｔａｃｔ ｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｒｏｕｇｈｅｌａｓｔｉｃｓｏｌｉｄｓ．ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ2008100（5）： 1 ［12］ ＧｏｖｉｎｄａｒａｊａｎＮＧｎａｎａｍｏｏｒｔｈｙＲ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｓｌｉｄｉｎｇｆｒｉｃ- ｔｉｏｎａｎｄｒａｔｃｈｅｔｉｎｇｓｔｒａｉｎｏｆｓｉｎｔｅｒｅｄａｎｄｈａｒｄｅｎｅｄｓｔｅｅｌｓｕｎｄｅｒ ｃｏｎｔａｃｔｆａｔｉｇｕｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．ＪＢｉｏｍｅｃｈＥｎｇ2008130（4）：1 ·1063·