大型高炉液压泥炮泥缸受力分析

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1994.04.011 第16卷第4期 北京科技大学学报 Vol.16 No.4 1994年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag.1994 大型高炉液压泥炮泥缸受力分析 刘建平 减勇 北京科技大学机械系，北京100083 摘要分析了大型高炉液压泥炮泥缸的受力情况，推导了打泥时沿泥缸轴向不同截面的受力计算 公式，用有限元方法计算了宝钢3号高炉泥炮泥缸上各点的应力. 关键词高炉，泥炮、有限元法 中图分类号TF572 Mechanical Analysis of the Barrel for the Heavy Hydraulic Clay Gun Liu Jianping Zang Yong Department of Mechanical Engineering.USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT Mechanical analysis of the barrel of the heavy hydraulic clay gun is considered.A calculating formula for axial force of the barrel is obtained.The stresses of the barrel used for Baoshan General Iron and Steel Works are calculated with finite element method. KEY WORDS blast furnace.clay gun,finite element methods 随着高炉的大型化及强化治炼和高压操作的不断发展，堵塞高炉出铁口的材料使用了高 强度、耐渣铁侵蚀和抗铁水冲涮的无水炮泥，这就要求泥炮具有足够的打泥推力·但考虑到 炉前操作环境，泥炮的外轮廓尺寸不能太大，为此、本文用有限元方法计算了高炉泥炮泥缸 上各点应力，并在宝钢3号高炉上进行验证. 1打泥机构的组成及压力确定 图1为宝钢3号高炉打泥机构，它主要由油缸、油缸外壳、泥缸、过渡管和炮嘴组成， 工作时，活塞杆不动、由油缸带动泥塞，经泥缸再由炮嘴打入高炉出铁口，该打泥机构液压 缸的额定油压Po=34.3MPa,泥塞上的打泥压力为： πD/4 Pn=PoπD/4 =18MPa 式中：D一泥塞直径；D。一液压缸内径. 1994-02-21收稿第-作者男40岁副教授硕士

第 16 卷 第 4 期 1 9 94 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u rn a l o f U n i v e rs it y o f S d en 二 a n d T eC h n o l o g y Be ij in g V o l . 1 6 N o . 4 A 雌 . 1 9 94 大 型高炉 液压 泥炮 泥缸受力分 析 刘建平 减 勇 北京 科 技大 学 机械 系 , 北 京 1仪) 〕8 摘要 分析 了大型 高炉 液压泥炮泥 缸 的受力情况 , 推导了 打泥 时沿泥 缸轴 向不 同截 面的 受力 计算 公式 , 用 有限 元方法计算 了宝钢 3 号 高炉 泥炮 泥缸 上各 点的应力 . 关键词 高炉 , 泥 炮 , 有限 元法 中图分类号 T F 5 72 M e c ha in ca l A n a l ys i s o f t h e B a r re l fo r t he H e a Vy H y d r a ul i c C l a y G u n L i “ J i a n iP n g Z a n 夕 h 刀王夕 块 P a r r m e n t o f M e e h a n i e a l E n g 一n e e r i n g , U S T B , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , P R C A BS T R A C I , M ec h a in 以1 a n a l y s is o f t h e b a n ℃ 1 o f th e h份Vy h yd ra hu e d a y g un 15 co ns id e 代d . A 伍 I cul a t i n g fo n n u l a fo r a x i a l fo 心 o f t h e b a re l 15 o b ta i n ed . hT e s t n 泛石篇 o f t h e b a n ℃1 璐司 fo r B a o s h a n G e n e r a l l ro n a n d S l e l W o rk s a re ca l c u l a t ed iw t h if n ite e l e n r n t 1l l e ht o d . K E Y W O R I巧 b las t fu rn a ce , d a y g u n , ifn i t e e l emn t rne t h o ds 随着 高炉 的大 型化及 强 化冶 炼和 高 压操作 的不断 发展 , 堵 塞高炉 出铁 口 的材料 使用 了 高 强 度 、 耐 渣铁 侵蚀 和抗铁 水 冲测 的无 水炮 泥 , 这就 要求 泥炮 具有 足够 的打 泥推 力 . 但 考 虑到 炉 前操作 环境 , 泥炮 的外 轮廓尺 寸不 能太 大 , 为此 , 本文 用有 限元方 法计算 了高炉 泥炮 泥缸 上 各点应 力 , 并在宝 钢 3 号高 炉上 进行 验证 . 1 打泥机构 的组 成及 压 力确 定 图 1为 宝钢 3 号 高 炉打 泥机 构 , 它 主要 由油缸 、 油 缸 外 壳 、 泥缸 、 过 渡 管 和 炮 嘴 组 成 . 工 作时 , 活塞 杆不 动 , 由油缸 带 动泥 塞 , 经泥 缸再 由炮 嘴打 人高 炉 出 铁 口 . 该 打泥机 构 液压 缸 的额定 油压 p 。 = 34 . 3 M P a , 泥 塞上 的打 泥压 力 为: P 一 = P o 7T 叫 / 4 二 D : / 4 = 1 8 M P a 式 中: D l 一 泥 塞直径 ; D厂 液 压缸 内径 11刃4 一 0 2 一 2 1 收 稿 第 一作者 男 40 岁 副教 授 硕 士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 04. 011

.358 北京科技大学学报 1994年No.4 打泥机构的最大推力：p=P,πD,2/4=5950kN. 图1打泥机构结构示意图 1-油缸外壳：2-活塞杆：3-油缸：4-泥辜；5-泥缸：6-过渡管：7-炮嘴 Fig.1 Shematic drawing of the plugging device 该推力一部分要克服炮泥在泥缸、过渡管和炮嘴中的运行阻力，即压力损失△，另一部分 使炮泥在炮嘴的出口处具有足够的工作压力P2,以便炮泥能顺利地打人出铁口通道内.在计 算p和P时，应先根据工艺要求，首先确定乃，和△p,对于采用无水炮泥的大型高炉，一般 取B=9~10MPa,△p=4.5~5MPat23 由于泥缸本身较长（宝钢3号高炉泥炮泥缸长度为1274mm),沿其轴向的压力损失分 布及泥缸所出现应力集中的地方，用传统使用的计算公式和方法是难以解决的， 2 泥缸内炮泥的受力分析 分析泥缸的受力，必须先分析炮泥的受力·假定泥塞已将炮泥在泥缸中推结实，则炮泥 的受力分析如图2所示.泥缸为圆柱简形，单元体沿力x轴向的力学平衡方程为： pxA-(px+dpx)·A-f·ds=0 (1) 式中：P,一作用在单元体上的单位压力；A一单元体的截面积，A=πR; ds一单元体圆周面积，ds=2πR·dx；f一作用在单元体上的平均摩擦力，f=P。·4; P。一作用在单元体上的平均侧压力：4一表面摩擦阻力系数； p.=1/2(p.+p.+dP.)·k; k一侧向压力系数. 将以上各式代人式()，并忽略高次微量得： p,+dp dx 图2炮泥受力分析图 Fig.2 Mechanical analytic diagram for the day

3 5 8 北 京 科 技 大 学 学 报 1望辫 年 N 6 . 4 打泥 机构 的最 大 推 力 : p = lP 二 D . ’ / 4 = 5 9 50 k N . 图 1 打泥机构 结构 示意图 1 一 油缸外壳 ; 2 一 活塞杆 ; 3 一 油缸 ; 4 一 泥塞 ; 5 一 泥缸; 6 一 过渡管 ; 7 一 炮嘴 瑰 . 1 曰” 抽tk 翻衍飞 健 触 户樱魄 山时奴 该推力一部分要克服炮泥在泥缸 、 过渡管和炮 嘴中的运行 阻力 , 即压力损 失 △p , 另一部分 使炮 泥在 炮 嘴的 出 口 处具有 足够 的工作 压力 几 , 以 便炮 泥 能顺利地 打 人 出铁 口 通 道 内 . 在计 算 p 和 0P 时 , 应 先根据 工 艺要求 , 首先 确定 几 和 △p , 对于采 用无 水炮 泥 的大型高 炉 , 一 般 取 乃 = 9 一 l o M p a , △夕= 4 . 5 一 S M P a l 么 ’ ! . 由于 泥缸 本 身较 长 ( 宝 钢 3 号 高炉 泥炮 泥缸 长 度 为 1 27 4 r o p以 ) , 沿 其轴 向的 压 力损 失分 布及 泥缸 所 出现应 力集 中的地方 , 用传 统使 用 的计 算公 式 和方法 是难 以 解 决 的 . 2 泥 缸内炮泥的受 力分析 分 析泥缸 的 受力 , 必须 先 分析 炮泥 的受 力 . 假定泥 塞 已 将炮 泥在 泥缸 中推 结实 , 则炮 泥 的受 力分 析如 图 2 所示 . 泥缸 为 圆柱 筒形 , 单元体沿力 x 轴 向的力 学 平衡方 程 为 : P 二 A 一 ( p , + d 几 ) · A 一 f · d s = 0 ( l ) 式 中 : 几一 作 用 在单元体 上 的单位 压力 ; A一 单元体 的截 面积 , A = 二 R ’ ; d 、 一单 元体 圆周面 积 , d 、 二 2 二 R · d 从 f 一 作用 在单元 体上 的平 均摩 擦力 , =f 几 · 川 几一 作 用 在单元 体上 的平均 侧压力 ; 拜一 表面摩 擦 阻力 系数; 几 = l / 2 ( xP + xP + d xP ) · 从 k一 侧向压 力系数 . 将 以 上 各式 代人 式 ( l ) , 并 忽 略高次微 量得 : 乓 f , 「 了一 山 P 二 + d P : 图 2 炮泥受力分析图 瑰.2 M“ 如叨血川 皿目洲允 曲嗯阅 n 肠 血 山 y

Vol.16 No.4 刘建平等：大型高炉液压泥炮泥缸受力分析 359. A=Pne装， (2) 式中：R一所求压力点到泥缸轴心线的距离；P。一炮泥初始单位压力· 式(2)为打泥时沿泥缸轴向不同截面的受力计算公式. 3泥缸的有限元计算 3.1计算模型 泥缸为一带有法兰的圆柱筒，沿圆周环带载荷均布，因此，按轴对称问题来进行有限 元计算，图3是泥缸应力计算模型的单元分割图，单元划分的具体参数为： 单元数NE=184; 节点数NP=137; 约束点数NB=3; 缸内壁受力点数NL=11. 图3计算单元分制图 Fig.3 Elemental divided diagram 由图1可知，当油压达到额定压力34.3MPa时，泥缸活塞上最大推力可达5950kN,该 力经油缸外壳和泥塞的传递，通过螺栓传给泥缸，使泥缸在轴向和径向受力变形，为方便起 见，计算时，泥缸的左端取为约束点.又因沿法兰圆周联结螺栓排列较密（共24个），故将 右端螺栓联结的环带视为均布载荷.泥缸内壁的受力点从过装泥孔（见图）向右逐节点排 列，其值的大小按公式(2)计算出.计算时，取4=0.16，k=0.67. 3.2应力分析 在整个泥缸上的主应力主要表现为拉应力，只有在靠近两端的附近出现部分压应力（σ，， 但其值都较小，除两端外，沿泥缸的各断面上应力水平变化不大，在靠近法兰的两过渡圆角 处应力都比较大，尤其是左侧端，比泥缸主体段的平均应力高达2.6倍.所有节点应力中沿 外轮廓节点的应力最大，图4为计算出的第一主应力分布曲线，结果表明：尽管采用较大的 过渡圆角，但其当量应力仍很接近其许用应力（当安全系数取5时）·在设计泥炮时，对泥 缸的强度计算一般采用公式： 8=PD+K (3) 2[G]

Vb l . 16 N 6 . 4 刘建平等 : 大 型高炉液压泥炮泥 缸受力分析 _ 卫卫上 , xP = P l o e R ` ( 2 ) 式中: R’ 一 所求压 力点到 泥 缸轴 心线 的距离 ; 乃厂 炮 泥初 始单 位压 力 式 ( 2) 为打泥 时沿 泥缸 轴 向不 同截 面 的受力 计算公式 . 3 。 l 泥缸的有 限元计算 计算模型 泥缸为 一带有法 兰 的圆柱 筒 , 沿 圆周 环 带 载荷 均 布 , 因此 , 按 轴 对称 问题来进 行 有 限 元计算 . 图 3 是泥 缸应 力计算模 型 的单元分 割 图 . 单元 划分 的具体 参数为 : 单 元数 N E = 184 ; 节 点 数 N P 二 13 7 ; 约 束点 数 N B = 3 ; 缸 内壁 受力 点数 N L 二 1 . 图 3 计算单元分割 图 f龟 . 3 正1 习” . 1 亩 ,地目 血脚m 由图 l 可 知 , 当油 压 达到 额定 压力 3 .4 3 M aP 时 , 泥缸 活 塞上最 大 推力 可达 5 9 50 k N , 该 力 经油缸 外 壳和 泥塞 的传 递 , 通 过螺 栓传 给 泥缸 , 使 泥缸 在轴 向和径 向受 力 变形 . 为 方便起 见 , 计算 时 , 泥 缸 的左端 取 为约 束点 . 又 因沿法 兰 圆周 联结 螺栓 排列 较 密 (共 24 个 ) , 故将 右 端螺 栓联 结 的环带 视 为均 布载 荷 . 泥缸 内壁的 受力 点从过装 泥孔 ( 见 图 l) 向右 逐 节 点 排 列 , 其值 的大小 按公 式 ( 2) 计算 出 . 计算时 , 取 拜= 0 . 16 , k 二 .0 67 . 3 . 2 应 力分析 在 整个 泥缸 上 的主应 力 主要 表现 为拉 应 力 , 只有在 靠 近两端 的 附近 出现部 分 压应 力 ( 。 2 ), 但 其值都较 小 . 除两 端外 , 沿 泥 缸 的各断面 上应 力水平 变 化不大 . 在 靠 近法 兰 的两过 渡 圆角 处应力都 比 较大 , 尤 其是 左侧 端 , 比 泥缸 主 体段 的平均 应力 高 达 .2 6 倍 . 所 有 节 点 应力 中沿 外 轮廓节 点 的应力 最 大 . 图 4 为计算 出的第 一 主应力 分 布 曲线 . 结 果 表 明: 尽 管采 用较 大 的 过渡 圆角 , 但 其 当量 应力仍 很 接 近其 许用 应 力 ( 当安全 系 数取 5 时 ) . 在设 计泥 炮 时 , 对 泥 缸 的强度 计算 一般 采 用公式 I] : _ P D 2 [ a l + K ( 3 )

·360 北京科技大学学报 1994年No.4 图4应力分布示意图 Fig.4 Stress distribution sketch 式中：6一泥缸壁厚； p一炮泥对泥缸壁的单位压力； D一泥缸内径； [o-泥缸材料的许用应力，[σ]=o。/n; σ。一泥缸材料的抗拉强度； n一安全系数、一般取5； K-磨损后经扩孔加工时，仍可继续使用的备用量，一般取10~20mm. 从炮泥的受力分析和泥缸的有限元计算 表明，采有式(3)算出的泥缸壁后一般是可 a 满足其强度要求的，但在两端的过渡圆角处 不能按通常的手册给出的尺寸，而必须加大 其过渡圆角·从等强度的观点看，若结构允 许，最好采用一段与通常反向的过渡圆角 图5过渡圆角的改进(a改进后的，b现有的) (如图5). Fig.5 Transition round to be improved 4结论 (1)本文推导出打泥时沿泥缸轴向不同截面的受力计算公式，得到了泥缸壁厚的计算方法. (2)现有宝钢3号高炉泥泡泥缸的强度一般情况下是足够安全的，若结构允许，应将左 侧过渡圆处也改变如右侧，并加大其过渡圆角· 参考文献 1重庆钢铁设计研究院.炼铁机械设备设计·北京：冶金工业出版社，1985 2严允进.炼铁机械.北京：冶金工业出版社，1990 3刘慰俭.用于大型高炉的MHG式液压泥炮的分析，重型机械，1987O:31~37

3 60 北 京 科 技 大 学 学 报 1塑〕4 年 N o . 4 、 ~ 一 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一 一 一 _ _ _ _ _ _ 一 一 护 图 4 瑰 . 4 式 中 : J一 泥缸 壁 厚 ; D一 泥缸 内径 ; a b一 泥 缸材 料 的抗拉 强 度 ; 应力 分布示 意图 S臼妞粥 业州恤面阅 旅凶由 P一 炮 泥 对泥缸 壁 的单位 压力 ; 【a] 一 泥 缸 材料 的许 用应力 , 【a] 二 c b /川 n 一 安全 系数 , 一般取 5 ; K 一 磨 损 后 经扩孔 加工 时 , 仍 可继 续使用 的备 用量 , 一般 取 10 一 20 r n r n . 从 炮 泥的 受力分 析和 泥缸 的有 限元计 算 表 明 , 采有 式 ( 3) 算 出的泥缸 壁后 一般 是 可 a 满 足其 强度要 求 的 , 但在 两端 的过 渡 圆角处 不 能按 通常 的手 册 给 出的尺 寸 , 而必 须加 大 其过渡 圆角 . 从等强 度 的观 点看 , 若 结构 允 _ 许 , 最 好 采 用一段 与通 常 反 向 的 过 渡 圆 角 (如 图 5 ) . … _ 图 5 过渡回角的改 进 ( a 改进 匕 后 的 , b 现有 的 ) I 触 . 5 T r a ns i it o n r o un d t o be im Pm v de 4 结 论 ( l) 本文推导出打泥时沿泥缸轴 向不同截面的受力计算公 式 , 得 到了泥缸壁厚的计算力法 . ( 2) 现有 宝 钢 3 号 高炉 泥泡 泥缸 的强 度 一般情 况下 是 足够 安全 的 , 若 结构允 许 , 应将 左 侧 过渡 圆 处也改 变如 右 侧 , 并 加 大其 过渡 圆角 . 参 考 文 献 1 重 庆钢铁设计研究院 . 炼铁机械设备设计 . 北京 : 冶 金 工 业出 版 社 , 19 85 2 严允进 . 炼铁机械 . 北京 : 冶金 工业 出版社 , 1望洲〕 3 刘慰俭 . 用 于大 型 高炉 的 M H G 式液 压泥炮 的 分析 . 重型 机械 , 1987 (称 31 一 37