拦焦车导焦栅移动机构的设计与优化★

程世平

（太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 030024）

引言

拦焦车是炼焦生产中的关键设备之一，承担着导流红焦及捕集烟尘的任务。导焦栅作为拦焦车的核心部件，连接焦侧炭化室炉口与熄焦车，引导1 000℃的红焦从炭化室流入熄焦车车箱内。导焦结束后，导焦栅向后移动，与炭化室炉口分离，拦焦车走行至下一炉[1-3]。拦焦车一炉与一炉之间运转周期较短，导焦栅的移动机构的好坏将直接影响到拦焦车能否正常工作，最终影响焦化厂的正常生产运行[4-6]。

本文以4.3 m焦炉配套的拦焦车为主要讨论对象。4.3 m焦侧炉台铺设有两条轨道，供拦焦车走行使用，第一轨到焦炉正面线的距离通常为700 mm，两条轨道之间间距通常为1 800 mm，炉柱尺寸通常为390 mm，除去炉柱焦侧炉台的有效空间仅为2 100 mm。炉台有限的布置空间，是导作焦移动机构设计解决的一个关键点。

1 导焦栅移动机构设计

依据导焦栅移动机构设计基础分析结果，以偏置曲柄滑块机构为参考实例，设计的导焦栅移动机构的方案见图1。设AB为曲柄长度为r；设BC为连杆长度为L，e为偏心距。曲柄的A点固定在导焦车钢结构上，为铰链连接；连杆的C点固定在焦栅上，为铰链连接；曲柄与连杆铰接。导焦栅上设有支撑导辊，导焦车上设置轨道。当曲柄AB转动时，带动连杆BC沿偏心距e往复摆动，滑块C实现的水平往复运动。最终实现导焦栅的往复运动，满足拦焦车导焦栅的运动规律要求。

1.1 曲柄与连杆参数确定

初始设计时，假设滑块的行程速度比系数K，滑块的行程H，偏距e，确定曲柄及连杆的长度见图2。

图1 导焦栅移动机构设计方案图

图2 导焦栅运动轨迹图

1）根据给定的行程速度比系数K，按式（1）计算极位夹角θ：

2）作线段C1C2长度为H

3）过点 C1，作射线 C1O 使∠C2C1O=90°－θ；过点C2，作射线C2O使∠C1C2O=90°－θ。

5）在线段C1C2下方作平行线，使偏距为e，交圆弧于点A，即为所求，连接线段AC1及AC2。

6）以点A为圆心，以线段AC1为半径作弧交线段AC2于E，得：

1.2 机构各个位置点确定

偏置曲柄滑块机构按输出杆与输入杆的位置关系设计，可以采用几何法、分析法和实验法，其中几何法比较简便，在一般设计中采用较多，在此我们也采用几何法设计。

曲柄滑块机构滑块偏距e在固定铰链A的上方见图3。曲柄顺时针向转Φ12角时，滑块在A点右侧向右水平移动S12距离。用几何法作图设计偏置曲柄滑块机构的步骤如下：

图3 偏置曲柄滑块机构几何法

1）作 l1、l2两平行线相距为偏距 e，在 l2上任选一点A作为固定铰链中心，并截取（E点在与位移的反方向取）。

2）作AY垂直于S12的方位线，作直线R12A使（从AY量起，与输入杆转角Φ12方向相反）。

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3）过E点作l4线与AY线平行，l4线与R12A线的交点R12是相对转动极点。

4）过 R12点作任一 lB线，同时作 lC线使∠B1R12C1=（转向与Φ12转向相同）。在lB线上任选一点作为输入杆动铰链中心B1，lC线与l1线的交点即为输出杆上动铰链中心C1。

5）A1B1C1即为机构在第一位置时的运动简图。

2 导焦栅移动机构优化

2.1 行程优化

如图4所示，在曲柄AB在转动一周的过程中，有两次与连杆BC共线。此时，连杆BC与偏心距的交点为C2和C1，交点C2和C1为滑块做往复摆动的左、右极限位置。C2C1为滑块的最大行程。

机械设计手册第二版偏置曲柄滑块机构的最大行程公式为s'，见公式（4）进行计算：

图4 导焦栅行程图

导焦栅导焦时伸入炉柱内，导焦完后向后移动，得移出炉柱，拦焦车才能顺利走行到下一炭化室见图5。常规4.3 m焦炉的炉柱尺寸为390 mm。由于炉门有两种形式，一种是螺丝炉门，一种是弹簧炉门。弹簧炉门的门栓挂板要比螺丝炉门的长，故针对两种炉门形成了两个系列的导焦栅移动尺寸，螺丝炉门通常为520 mm，弹簧炉门通常为640 mm。为了减少零件总类，提高零部件的通用性和利用率，实现零件的标准化设计，所以只要最大的一组导焦栅的移动行程640 mm落在曲柄滑块机构左、右极限位置以内，便可以实现较小的行程520 mm。曲柄AB不需要转动整圈，仅通过控制AB的转动角度来完成导焦栅移动行程的系列化。

图5 导焦栅与炭化室对位剖视图

通过分析公式（4）可知，行程s'与曲柄AB、连杆BC、及偏心距的长度尺寸有关。下面分三种情况进行讨论。

1）当 L、e一定时，s'随 r的变化关系，见下页表1。当（L-r）2-e2＞0 时，s'随 r的增大而增大，而且 r增大可引起 s'较大的变化；当（L-r）2-e2＜0，时 s'无解。

2）当 r、e一定时，s'随 L的变化关系，见下页表2。当（L-r）2-e2＞0时，s'随 L 的增大而增大，但 L 的增加幅度不明显；当（L-r）2-e2＜0，时 s'无解。

3）当 r、L 一定时，s'随 e的变化关系，见下页表3。当（L-r）2-e2＞0时，s'随e的增大而增大；当（L-r）2-e2＜0，时s'无解。

对比表1、表2、表3的数据，可知通过增加曲柄AB的长度及增加偏心距，可有效的增加滑块的极限行程，通过增加连杆BC的长度对增加滑块的极限行程并没有多大的作用，还会占用宝贵的布置空间。综上所述，r、e选择较长的尺寸，L选择较短的尺寸，这样的选择可以有效的控制导焦栅移动机构的布置空间。

表1 s'随r的变化关系（L=810 mm，r=100 mm） mm

表2 s'随L的变化关系（e=20 mm，r=465 mm） mm

表3 s'随e的变化关系（L=810 mm，r=465 mm） mm

经过多次优化r、e、L尺寸，又结合导焦栅的可利用空间，最终取得r=465 mm、e=385 mm、L=810 mm。用画图法求得滑块沿偏心距e的运动轨迹见图6，以点A为圆心做半径为r=465 mm的圆，将圆周平均分成12等分，逆时针旋转。曲柄位置1，以1为圆心做半径为L=810 mm的圆，与偏心距交于1'，按此方法依次进行作图。从图上可看得出，即使位置10与偏心距没有交点，但位置7对应滑块7'至右极限位置的距离967 mm≥640 mm，已经足够使用，故选取的数据合理。

图6 C点的运动轨迹图

2.2 驱动点位置优化

经过行程优化后，导焦栅移动机构已经基本设计完成，但是这时用油缸驱动曲柄B点得话，油缸行程还是较长。而且，导焦栅的操作时间较短及布置空间有限，为了满足导焦栅的这种特殊运动要求，得进一步进行优化设计，采用缩小机构来完成此阶段的优化设计见图7。在A点增加曲柄AD，长度为d，d＜r，曲柄AD与摇杆AB为同心轴固定，两者之间成一定角度。当曲柄AD顺时针转动，则曲柄AB同时顺时针转动。

图7 导焦栅移动机构简图

因为∠B1AB2=∠D1AD2，△AB1B2与△AD1D2均为等边三角形，所以△AB1B2∽△AD1D2，则

驱动点从B改到D，油缸的行程可减到0.537B1B2，这样就完全满足了生产工艺要求，也保护了油缸的活塞杆，减少了油缸的维修成本，延长了油缸使用寿命。

3 结语

导焦栅移动机构结构简单、尺寸适度，在整体布置上占的空间小，达到布局紧凑，又节约材料，很好地解决了布置空间紧张的问题，满足了导焦栅移动生产工艺要求及运动规律。

同时一套移动机构，只需改变AB杆的起始角度，便适应了两种炉门结构的标准化、系列化，降低了成本。经过多套设备的运行取得了良好的运行效果，该导焦栅的移动机构的设计是完全可行的。