烧结台车车轮润滑油自动加注装置设计及试验

董 岱，方实年，卫 卫，杜 预，方 田，叶学农

(中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210019)

引言

烧结台车是烧结生产作业中的核心设备，在烧结作业中，台车车轮轴承经受着高温、重载、冲击振动、粉尘和水冲淋等恶劣工况，若润滑不及时，可能造成烧结机停机，不仅增加了台车的维修费用，也增加了烧结机的停机时间，对整个烧结生产都将造成严重损失。目前，绝大部分烧结台车车轮的润滑采用人工加油的方式，不仅效率低、工人劳动强度大，而且人工在线操作存在加油困难、容易产生危险事故等问题[1-2]。

对于台车车轮油润滑，国内外研究人员开展了一系列研究工作。早在20世纪80年代之前，前苏联的卡拉干达钢铁公司烧结厂及南乌拉尔机械制造厂均研制过烧结机台车行走轮自动注油装置[3]。80年代中期，西安重型机械研究所根据宝钢从日本引进的450 m2烧结机成套设备中的台车自动润滑装置的结构原理，研制了烧结台车自动润滑装置[4]。西安建筑科技大学与中冶宝钢技术服务有限公司合作，设计机器人配合视觉定位系统的烧结机台车车轮注油系统[5]。从以上烧结机车轮注油润滑研究现状可以看出，早期的自动加油装置结构简单，但缺乏检测设备，控制系统简陋，自动化程度较低，个别功能还需人工辅助；机器人配合视觉定位系统的加油装置，结合工业机器人和视觉定位技术，其技术方案起点高，适应范围广，符合烧结装备智能化的发展方向，但目前其技术设备成本较高，且烧结生产车间环境恶劣，难以大规模推广应用。

针对上述问题，本研究提出开发烧结台车车轮自动加油润滑系统来替代效率低下的人工加油润滑操作，并针对其结构设计和样机试验展开一系列研究工作。

1 自动加油装置设计

烧结台车工作环境粉尘较多，且受车轮尺寸和间距限制，自动加油装置的空间比较紧凑，且加油操作时间较短。由于气动系统对粉尘环境具有较好的适应性[6]，且气动元件结构紧凑[7]、动作速度快，因此，选择气缸作为加油装置的动作驱动装置。所提出的烧结台车车轮润滑油自动加注装置(简称自动加油装置)的总体方案如图1所示，自动加油系统(见图1a)主要包括随动装置、车轮捕捉装置、自动加油枪、移动平台、电控装置和干油泵等。其工作基本原理为：烧结台车经过时，随动档杆伸出与车轮接触，在车轮的驱动下，移动平台沿着导轨跟随台车运动；车轮捕捉装置伸出，卡爪夹紧车轮端部凸缘；此时，位于车轮捕捉装置中心的加油枪伸出，在干油泵的配合下实现加油操作；完成润滑油加注后，加油枪、车轮捕捉装置和随动档杆依次缩回，移动平台与台车车轮脱开连接，然后在平台驱动气缸的驱动下沿导轨回到初始位置，等待下一次加油操作。整个加油过程中的所有动作均采用气缸驱动。

1.1 自动加油装置结构设计

自动加油装置的主要结构如图1b所示，主要功能模块包含随动装置、车轮捕捉装置、加油枪和移动平台。

1.电磁阀 2.随动档杆 3.卡爪 4.加油枪 5.顶杆 6.移动平台 7.直线导轨 8.缓冲装置 9.平台驱动气缸 10.卡爪驱动气缸 11.套筒 12.套筒驱动气缸 13.油枪驱动气缸 14.随动驱动气缸 15.端子箱

1)随动装置

随动装置安装在移动平台上，其主要功能是实现加油过程中加油装置随着台车车轮一起运动。随动装置主要包括随动档杆和驱动气缸。其工作原理为：当车轮接近时，气缸驱动随动档杆伸出与车轮边沿接触，实现加油装置的随动；当加油结束时，气缸驱动随动档杆缩回，加油装置与车轮脱开，结束随动。

2)车轮捕捉装置

车轮捕捉装置安装在移动平台上，主要功能是完成车轮周向边沿的捕捉和夹紧。结合气动抓手的基本原理[8]，设计车轮捕捉装置主要包括：卡爪、顶杆、卡爪驱动气缸、套筒、支架、套筒驱动气缸等。其工作原理为：随动加油时，套筒驱动气缸推动套筒一端的顶杆顶住车轮端面，安装在套筒上的卡爪在其驱动气缸的驱动下，夹紧车轮断面凸缘，实现车轮的捕捉；当加油结束后，卡爪松开，套筒缩回。

3)加油枪

加油枪安装在车轮捕捉装置的中心，主要包括加油枪和驱动气缸两部分。加油时，加油枪在气缸的驱动下，与车轮断面的油杯连接，在干油泵的作用下将润滑油注入油杯内；加油结束后，则由气缸驱动油枪缩回。由于车轮加工和安装误差以及使用磨损等问题，在油枪的结构设计中要考虑采用合适的浮动调整机构来补偿油杯可能存在的径向误差。

4)移动平台

移动平台是加油装置的安装基础，用于安装随动装置、车轮捕捉装置、加油枪及驱动装置等。所设计的移动平台沿着直线导轨滑动，通过随动装置随着车轮向前运动，在平台驱动气缸的作用下回到初始位置，并在平台一端设置了缓冲装置，用于吸收平台回程动能。

1.2 气动系统设计

根据装置工作过程和气动系统基本原理[9-10]，提出加油装置气动系统原理如图2所示。系统主要包括截止阀、气动三联件、电磁换向阀、气缸、节流阀等原件。气动系统包含加油枪驱动回路、卡爪驱动回路、套筒驱动回路、随动装置驱动回路和移动平台驱动回路，其中前四个回路原理相同，采用二位三通电磁阀实现气缸往复运动，并通过节流阀实现速度调节。移动平台回路由于只在回程时工作，因此该回路只需通过二位三通阀连接气缸的有杆腔，无杆腔则直通大气。

1.气源 2.截止阀 3.气动三联件 4.二位四通电磁阀 5.二位三通电磁阀 6.消声器 7.节流阀 8.油枪驱动气缸 9.卡爪驱动气缸 10.套筒驱动气缸 11.随动驱动气缸 12.平台驱动气缸

2 浮动式加油枪设计及分析

由于加油装置是以台车车轮端面外圆为定位基准的，而实际生产中车轮加工和安装误差以及使用磨损等问题，会使得油杯的实际位置偏离车轮几何中心，形成径向误差。通过结构创新，提出了一种双偏心环自动调节机构[11]，来实现油枪位置误差的自动补偿，其结构如图3所示，主要包括导向装置、加油枪、内偏心环和外偏心环。导向装置安装在车轮端面，其中心孔内安装车轮加油油杯，油枪设置在双偏心环自动调节机构的内偏心环内。

图3 加油枪及双偏心环调整机构结构示意图

2.1 双偏心环机构原理分析

当加油枪伸出与导向装置接触时，其受力分析如图4a所示，双偏心环自动调节的基本原理为：当加油枪在FP的作用下与导向装置相互接触时，受到导向装置的作用力包括垂直于接触面的FN和沿着接触面的摩擦力Ff；FN可分解为沿着加油枪轴线方向的F1和垂直于轴线方向的F2(同理，摩擦力也可分解在这2个方向上)，由加油枪和导向装置的接触关系可知F2的作用方向通过加油枪和导向装置的中心(如图4b所示)。当F2的方向不通过内外偏心环中心时，则内外偏心环在F2的作用下，产生转动力矩使得偏心环转动，直到加油枪的中心与导向装置的中心线重合，从而实现加油枪位置的自动调节，其调节量与内外偏心环的偏心量有关。

2.2 双偏心环机构数学模型

如图4b所示，加油枪中心O3的位置可由偏心距e1，e2及偏心角θ1，θ2表示为[12-13]：

图4 双偏心环自动调整机构原理示意图

x3=e1cosθ1+e2cosθ2

(1)

y3=e1sinθ1+e2sinθ2

(2)

其中，θ1，θ2∈[0,2π]，由式(1)和式(2)可知，加油枪中心位置的可调范围为以(e1+e2)为半径的圆形区域。理论上，采用的双偏心环机构的可调范围是以内外偏心环偏心距之和为半径的圆形区域。

为方便分析，假设偏心环和油枪均为刚体，由刚体平行轴转动理论和双偏心环机构的受力关系可知，双偏心环在导向装置作用力的分力F2的作用下绕O1转动，其动力学方程为：

(3)

(4)

J2(θ2)=J2C+m2L2(θ2)

(5)

式中，J1—— 外偏心环绕O1转动惯量，kg·m2

J(θ2)—— 内偏心环和加油枪绕O1转动惯量，

kg·m2

l1——O1到F2的距离，m

Mf1—— 外偏心环与轴承座之间的摩擦力矩，

N·m

Mf2—— 加油枪收到导向装置的摩擦力矩，N·m

l2——O2到F2的距离，m

Mf12—— 外偏心环与内偏心环之间的摩擦力矩，N·m

J2C—— 内偏心环和加油枪绕其质心的转动惯量，kg·m2

m2—— 内偏心环和加油枪的质量，kg

L(θ2)—— 内偏心环和加油枪质心转动轴和O1转动轴的距离，m

力F2的作用线经过O3(x3，y3)和O4(x0，y0)，其方程为：

(6)

则O1(0,0)和O2(x2，y2)到F2作用线的距离分别为：

(7)

(8)

其中:

x2=e1cosθ1

(9)

y2=e1sinθ1

(10)

由图4a加油枪受力关系可得：

F2=FNcosα=FPsinαcosα

(11)

在加油枪驱动力FP一定的前提下，当α为45°时，偏心环旋转驱动力F2取得最大值，因此，导向装置的锥面角度设置为45°。

当F2的作用线通过O1和O2时，双偏心环的转动力矩为0，此时有l1=0，l2=0，由式(7)和式(8)可得：

θ2-θ1=nπ(n为整数)

(12)

(13)

此时，O1，O2，O3和O4位于同一直线上，双偏心环处于死点位置，双偏心环机构无法转动，失去位置调整能力。在实际应用过程中，要尽量避免这种情况的发生。在结构设计中，可增加弹性限位机构，避免双偏心环的初始状态下，O1，O2和O3处于一条直线上。

3 自动加油装置试验

为了验证所提出的台车车轮加油装置方案，构建了包括模拟台车装置的试验系统，对所设计的烧结台车车轮自动加油装置样机进行试验研究。

3.1 试验原理

所设计的自动加油装置样机及试验系统照片如图5所示。试验过程中，台车沿着轨道往复运动，自动加油装置完成加油试验。试验系统仪器设备包括：模拟台车装置、自动加油装置样机、控制系统(PLC)、传感器和计算机等。

图5 烧结台车车轮自动加油装置样机及试验装置

3.2 试验结果及分析

所设计的加油装置自动工作流程如图6所示。台车车轮轴距760 mm，稳定运行速度2.5 m/s。台车运动一个轴距的时间为18.24 s，要求单个车轮自动加油循环时间小于18.24 s。经试验，加油过程中车轮捕捉和油枪伸出时间、加油后车轮捕捉装置和油枪缩回时间以及移动平台返回时间总和约为6 s，为顺利进行下一车轮的加油，油枪润滑油加注时间设置为9 s较为合适，根据电动干油泵的输出流量，自动加油装置单次加注干油量约为40 mL。

图6 自动加油装置动作流程图

所研制的烧结台车车轮自动加油装置主要技术参数如表1所示。运用模拟台车试验系统，对自动加油装置样机进行多次自动加油试验，结果表明，所研制的自动加油装置能够实现烧结台车车轮在线自动加油润滑，实现了装置设计目标。

表1 自动加油装置技术参数

4 结论

针对目前烧结台车缺乏自动润滑设备的问题，分析现有台车自动加油技术的研究现状，对所提出的新型烧结台车车轮润滑油自动加注装置的结构设计和样机试验进行研究。主要结论如下：

(1)对自动加油装置基本原理及主要部件(包括：随动装置、车轮捕捉装置、自动加油枪、移动平台)的结构设计进行了详细分析；

(2)对油枪所采用的双偏心环自动调节机构的工作原理进行研究，根据结构的受力分析，构建双偏心环机构调整过程的数学模型，分析了该结构工作死点问题，为实际结构设计提供设计参考；

(3)构建包含自动加油装置样机和模拟台车的试验系统，对所研制的烧结台车车轮自动加油装置进行研究。试验结果表明，该装置能够实现台车车轮在线自动加油润滑，达到了装置的设计目标，为下一步烧结智能化生产研究奠定了基础。