矿热炉布料器结构设计与分析

余淑荣,王 泽,吴自尧

(兰州理工大学机电工程学院,甘肃 兰州 730050)

在矿热炉中,布料器的更新对于提高工作效率、改善工作环境具有重要的工程意义[1]。目前,国内外矿热炉加料方式主要分为人工直接加料、加料管加料与加料机加料等[2]。但这几种加料方式,人工干预较多、自动化程度低,降低了矿热炉的生产效率[3]。为此,本文根据一种圆形矿热炉,结合矿热炉加料工艺要求,设计一种由液压缸提供动力,进而控制溜槽完成布料任务的矿热炉布料器。

1 布料器结构与工作原理

根据现有的资料数据、布料器工作环境参数等,通过三维建模软件Inventor 2019进行矿热炉布料器的结构设计,其装配体如图1所示。通常,布料器作为矿热炉的关键设备之一,一般处于矿热炉炉盖顶部。其中,布料溜槽的旋转与倾动运动是由两个互不干扰的液压系统完成的,负责将炉料均匀布置在矿热炉炉膛内,从而完成布料作业。

1—固定座;2—旋转支座;3—液压缸Ⅰ;4—转盘;5—液压缸Ⅱ;6—固定支架;7—旋转圆筒;8—旋转连接架;9—气封罩;10—导向轮组件;11—旋转轴;12—溜槽图1 矿热炉布料器装配图

对于矿热炉布料器的工作原理,结合图1的装配图可知,两个液压缸分别沿着水平与垂直方向驱动各自连接的部件,最终使溜槽完成所需的运动形式。在水平方向,液压缸Ⅰ驱动旋转连接架8,带动旋转圆筒7绕中心喉管旋转,再绕着旋转轴11带动溜槽12运动,从而实现布料溜槽的旋转布料;在垂直方向,液压缸Ⅱ驱动连接杆实现竖直运动,连接杆再通过销轴将运动传递给溜槽12,从而实现布料溜槽倾动布料。还可以通过液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ的组合运动实现布料器多种形式布料。

2 布料器运动仿真分析

2.1 虚拟样机建模及简化

目前虚拟样机已广泛地代替物理样机,不仅弥补了传统设计的不足,而且通过仿真等方法缩短了产品开发周期、降低了开发成本[4]。在ADAMS软件中直接完成布料器虚拟样机的建模,如图2所示。在开始进行系统仿真和分析之前,为了避免冗余部件对系统仿真所产生的额外影响,需要对模型进行简化处理[5]。

图2 虚拟样机仿真模型

2.2 数学模型建立与非线性拟合

通过对矿热炉布料器模型工作原理的分析可知,欲在理论上得到溜槽的运动关系式,需要建立液压缸活塞位移与溜槽旋转角度(或倾动角度)之间的关系,从而得出如图3所示的两个液压缸活塞位移几何关系图。

图3 两个液压缸活塞位移几何关系图

在图3(a)所示的液压缸Ⅰ活塞位移几何关系图中,当溜槽处于平衡状态时,P为固定点,O为溜槽旋转中心点,A与B分别为起始点与终止点。由图3(a)中的几何关系,可得到液压缸Ⅰ活塞位移y1与旋转角度θ之间的数学关系式:

(1)

在图3(b)所示液压缸Ⅱ的活塞位移几何关系图中,当溜槽处于平衡状态时,P为固定点,O为溜槽旋转中心点,M与A为起始点,M′与A′为终止点。由图3(b)得到液压缸Ⅱ活塞位移y2与倾动角度α之间的数学关系式:

y2=l3απ/180

(2)

简化后的模型在ADAMS中设置材料属性、添加相关约束并运行仿真,仿真结束后用后处理模块分析得到溜槽旋转角度与液压缸活塞Ⅰ位移关系、溜槽倾动角度与液压缸活塞Ⅱ位移关系,分别如图4(a)、(b)所示。

图4 溜槽运动角度与液压缸活塞位移关系图

然后运用MATLAB中的傅里叶拟合方法,对图4(a)、(b)的数据进行拟合,在溜槽运动角度范围内,分别得出液压缸Ⅰ活塞位移y1与溜槽旋转角度的关系式和液压缸II活塞位移y2与溜槽旋转角度的关系式:

y1=-146.1+169.2cos(0.018 17θ)-436.3sin(0.018 17θ)-19.09cos(2×0.018 17θ)-6.759sin(2×0.018 17θ)-4.695cos(3×0.018 17θ)-2.171sin(3×0.018 17θ)+0.062 27 cos(4×0.018 17θ)+1.664sin(4×0.018 17θ)+0.027 27cos(5×0.018 17θ)-1 956sin(5×0.018 17θ)

(3)

y2=341.2-464.4cos(0.017 5α)+653.9× sin(0.017 5α)+123.2cos(2×0.017 5α)-15.03× sin(2×0.017 5α)

(4)

2.3 MATLAB/Simulink仿真验证

经过前面对溜槽运动的理论分析与ADAMS的运动仿真分析,分别得到了液压缸活塞位移与溜槽运动角度之间的关系式。接着借助MATLAB/Simulink验证理论分析结果与仿真分析结果的差异性,其中,根据溜槽旋转运动的分析,在Simulink中建立了相对应的分析框图[6],如图5所示。

图5 溜槽旋转运动仿真框图

在图5所示的仿真框图中,上面的分路表示溜槽旋转运动的理论数学模型分析,下面的分路表示溜槽旋转运动的拟合分析。运行模拟仿真之前,需要先设置仿真参数,设置完成后在模型编辑器中选择命令“start”,即进行仿真,结束后得到旋转运动差值曲线图,如图6所示。

图6 溜槽旋转运动差值曲线图

由图6可知,当时间为0—0.58 s,溜槽从左极限位置运动到平衡位置处,0.58 s之后,到达右极限位置。最大差值出现在溜槽旋转的左极限位置处,为0.260 mm。从旋转运动差值曲线可知,溜槽旋转运动模型的数学分析结果与仿真分析结果相吻合,从而验证了溜槽旋转运动模型的准确性。

同样的,对溜槽倾动运动进行分析,在Simulink中建立相对应的分析框图,如图7所示。

图7 溜槽倾动运动仿真框图

在图7所示的仿真框图中,上面的分路代表溜槽倾动运动的理论数学模型分析,下面的分路代表溜槽倾动运动的拟合分析。设置仿真参数后开始运行,结束后得到如图8所示的倾动运动差值曲线图。

图8 溜槽倾动运动差值曲线图

由图8可知,以0.2 s为分界线,0—0.2 s溜槽从倾动下极限位置运动到平衡位置,0.2 s之后再运动到上极限位置。最大差值出现在溜槽下极限位置处,为2.223 mm。造成此类差值的原因是:对倾动运动进行理论分析时,没有将连接杆的绕动角度考虑在内。从倾动运动差值曲线可知,总体上倾动运动模型的数学分析与仿真分析基本契合,验证了倾动运动模型的正确性。

3 布料器溜槽有限元分析

在布料器中,溜槽作为重要的组成部分,其寿命和稳定性对于精准布料起着重要作用,因此需要通过有限元软件ANSYS Workbench分析得到溜槽结构的强度、刚度、稳定性等[7]。以倾动布料为例,因为布料过程中速度不是很快,溜槽所受载荷变化不大,所以选取溜槽倾动运动的两个极限位置进行静态分析。

溜槽作为布料器的关键部件之一,分别与旋转圆筒、旋转轴联接,并且长期承受较大的冲击载荷,容易产生失效。当前,主要借助有限元分析方法验证模型的强度。将布料器溜槽模型通过ANSYS Workbench嵌入的接口导入其中,溜槽材料属性见表1,设置参数后即可对溜槽进行有限元分析[8]。

表1 溜槽材料属性

对溜槽结构进行网格划分的结果如图9所示。对溜槽的静态分析主要包括溜槽在静载荷下产生的应力及总变形量情况。完成边界条件及载荷约束设置后[9],得到了如图10所示的溜槽分别在两个极限位置时的等效应力图和总位移图。

图9 溜槽网格划分图

图10 溜槽两个极限点处的应力应变图

分析结果显示,溜槽处于上极限位置时,最大应力σmax出现在溜槽吊耳、边角处,为11.26 MPa,其余位置则相对较小,这与溜槽本身结构设计有关。构件的许用应力[10][σ]=σb/S,其中抗拉强度σb和安全系数s分别取520 MPa和8。由机械强度理论可知:

[σ]=65 MPa≥σmax=11.26 (MPa)

(5)

即其强度满足要求,且总位移变形量主要发生在溜槽末端,最大变形位移为0.091 99 mm。这与溜槽的结构有关,因此导致了溜槽末端变形量较大,但都在允许的范围内。

而溜槽处于下极限位置时,最大应力σmax也出现在溜槽吊耳、边角处,为11.213 MPa。同理,由机械强度理论可知:

[σ]=65 MPa≥σmax=11.213 (MPa)

(6)

即其强度满足要求,且总位移变形量主要发生在溜槽末端,最大变形位移为0.070 472 mm,在允许的范围内。

综上可知,溜槽上下两个极限位置在受到物料冲击的作用下,所受的应力均在许用范围内。

4 结论

1)采用ADAMS仿真及MATLAB/Simulink的模型验证方法,干扰因素较少,结果可信度高,可为布料器结构实体模型的制造以及优化提供一定的数据支持。

2)在布料器溜槽的改进或使用中,溜槽末端可加装防变形板,以此来降低物料对溜槽末端的冲击变形。