陳林

摘 要：本文介紹的龍門式鋼包加蓋機構(gòu)是一套自動化的應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)的裝配設(shè)備。此自動化裝配設(shè)備主要由龍門架主體裝配、小車裝配、橫移裝置、橫移油缸、提升油缸、軸承座裝配、吊具裝配、鋼包蓋裝配、事故吊具、樓梯、維修平臺、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等模塊組成。運用三維建模軟件Solidworks繪制出各個分部件，再組合成總裝配體。確定了總體方案，關(guān)鍵部位的設(shè)計及其主要設(shè)計參數(shù)，分析了各油缸的行程及選型，并利用軟件對龍門架進(jìn)行受力分析，驗證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。同時，該龍門式鋼包加蓋機構(gòu)目前已在湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司二煉鋼進(jìn)行了應(yīng)用，并獲得客戶好評。

關(guān)鍵詞：龍門式；自動化操作；有限元分析；三維建模設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.214

0 前言

近年來，由于金融危機的發(fā)生，整個鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能過剩，市場需求減少。大型鋼鐵企業(yè)利潤逐漸減少，甚至出現(xiàn)逐年虧損的局面。如何提高操作水平、減少鋼包澆注過程溫降（降低出鋼溫度），成為各個鋼企近來研究的重要課題。 鋼包作為煉鋼工序與連鑄工序之間的盛鋼容器，其在生產(chǎn)周轉(zhuǎn)過程的熱狀態(tài)，直接影響出鋼和盛鋼過程中鋼水溫度的變化。鋼水溫度波動對連鑄澆鑄的影響非常大，并且影響整個生產(chǎn)節(jié)奏。鋼包在周轉(zhuǎn)使用過程中加上鋼包蓋后，對于鋼包的散熱起到很好的保護作用，也使鋼包周轉(zhuǎn)過程中的熱狀態(tài)更加趨于穩(wěn)定，為準(zhǔn)確控制鋼包溫度和溫降創(chuàng)造條件，同時也進(jìn)一步降低了鋼包在周轉(zhuǎn)過程的熱損失。

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司二煉鋼為降成本，實現(xiàn)節(jié)能降耗，將在LF工位及VD工位安裝鋼包加蓋系統(tǒng)。 為此，根據(jù)其現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計了一種龍門式鋼包加蓋機構(gòu)。

1 龍門式鋼包加蓋機構(gòu)總體設(shè)計

1.1 鋼包加蓋機構(gòu)設(shè)計原則

鋼包加蓋機構(gòu)設(shè)計，將遵循三個原則：安全可靠，開合方便，簡單實用。

1.2 鋼包加蓋機構(gòu)所要實現(xiàn)的要求

（1）實現(xiàn)鋼包加蓋：當(dāng)鋼水包落入罐座時，操作人員通過控制按鈕迅速將包蓋落下并蓋上；

（2）實現(xiàn)鋼包揭蓋：當(dāng)鋼包需要揭蓋時，操作人員通過控制按鈕可迅速將包蓋揭開；

1.3 龍門式鋼包加蓋機構(gòu)總體模型及組成

（1）設(shè)計完成后的龍門式鋼包加蓋機構(gòu)整體模型如圖1所示（見附圖）。

（2）龍門式鋼包加蓋機構(gòu)組成及參數(shù)：龍門式鋼包加蓋機構(gòu)主要由龍門架主體裝配、小車裝配、橫移裝置、橫移油缸、提升油缸、軸承座裝配、吊具裝配、鋼包蓋裝配、事故吊具、樓梯、維修平臺、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等模塊組成。

設(shè)備主要參數(shù)：提升距離1米、橫移距離1米（平行于龍門架方向）、橫移距離0.5米（垂直于龍門架方向）、龍門架寬度7米、龍門架高度6.94米。

（3）液壓控制系統(tǒng)：鋼包加蓋液壓系統(tǒng)采用開式回路，多負(fù)載并聯(lián)結(jié)構(gòu)，液壓缸的速度控制在上下行30mm/s，泵選用28排量的軸向柱塞泵，電機22KW。

2 關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 小車裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）在整個龍門式鋼包加蓋機構(gòu)中，小車裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常關(guān)鍵。因為本機構(gòu)中，所有動作包括前后、左右及提升都集中通過小車的結(jié)構(gòu)來滿足要求。這樣同時可以減小整個結(jié)構(gòu)并使布置更加合理。小車裝配主要由車輪軸、軸套、車輪、軸承座、小車架、銅滑條等組成。小車裝配整體三維模型如圖2所示（見附圖）。

（2）車輪軸與軸承之間采用緊配合，車輪軸與軸承座之間留0.5mm間隙以防車輪因受力后卡阻。安裝橫移油缸位置下部采用加強筋，前端兩側(cè)布置配重塊，以保車體平衡性能。

2.2 吊具裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）吊具裝配在整個龍門式鋼包加蓋機構(gòu)中起著承上啟下的作用。對上需連接提升油缸，對下連接鋼包蓋。而且揭蓋與取蓋動作能否順利實現(xiàn)，關(guān)鍵在于吊具與包蓋之間的關(guān)聯(lián)設(shè)計。吊具裝配主要由吊具支撐盤、吊具梁、吊具導(dǎo)軸、吊具鉤套、吊具擋環(huán)、提升油缸銷軸等組成。吊具裝配整體三維模型圖3所示（見附圖）。

（2）吊具裝配中的三個吊鉤分布在直徑為2400mm的圓周上，與鋼包蓋上的吊環(huán)相配，呈120度布置。吊鉤總高522mm。為方便吊具在現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)節(jié)方向及安裝，吊鉤的設(shè)計采用活動形式。

3 油缸行程及選型

橫移油缸的參數(shù)：活塞直徑D=80mm，活塞桿直徑d=45mm，行程S=500mm。P=250bar，V=30mm/s。

提升油缸的參數(shù)：活塞直徑D=140mm，活塞桿直徑d=100mm，行程S=1000mm。P=250bar，V=30mm/s。

當(dāng)橫移油缸無桿腔進(jìn)油時，根據(jù)公式：

當(dāng)提升油缸無桿腔進(jìn)油時，根據(jù)公式：

綜上計算：龍門式油缸所需流量：

Q=2Q1+Q2=2×9+28=46L/min

4 液壓系統(tǒng)電機選型、液壓泵閥選型

4.1 電機選型

由于現(xiàn)場實際情況，每個液壓站需對應(yīng)三個工位的鋼包加蓋操作。經(jīng)現(xiàn)場與客戶當(dāng)面溝通，客戶告知每個液壓站連接工作裝置同時工作的不會超過兩臺，每個負(fù)載動作都是單動，不存在聯(lián)動的情況。工作時油缸的流量不會出現(xiàn)分流的情況。根據(jù)現(xiàn)場客戶的實際要求作出選型。

液壓站：P=140bar，Q=Q龍+Q懸=28+28=56L/min

根據(jù)以上計算結(jié)果，電機功率，為了保證功率儲備及散熱的功率損耗，P總=1.3P功=19Kw，根據(jù)計算結(jié)果，選擇22Kw的電機。

4.2 液壓泵閥選型

根據(jù)上述計算，主泵和主閥通過具體的數(shù)據(jù)匹配選出，為系統(tǒng)合理的提供動力和控制，主泵選擇斜軸式柱塞泵，主閥選擇華德液壓的標(biāo)準(zhǔn)的電磁閥，將控制閥集中在閥塊上面，這樣利于集中布置和維修。

4.3 電控系統(tǒng)設(shè)計要求

因為該液壓系統(tǒng)動作少，無需電比例來控制閥的開口，選擇開關(guān)量來實現(xiàn)動作的開合，電控部分將采用模擬量來控制，并配有操作臺，操作臺上面將布置各個動作順序的開關(guān)按鈕，并會有堵塞和低液位報警的燈，一旦系統(tǒng)油液受到污染，回油過濾器的濾芯將會因大顆粒污染物而堵塞，產(chǎn)生回油壓差，進(jìn)而壓差報警啟動，提示應(yīng)該對油液進(jìn)行跟換或者精過濾。

5 龍門架主體受力分析

5.1 龍門架基本參數(shù)

龍門架長7000mm，高6940mm，寬1350mm，總重3.52噸。承受力總重為6噸。

5.2 受力模擬分析

（1）利用三維軟件Solidworks對龍門架進(jìn)行受力分析。模擬出其最大變形范圍，確定其結(jié)構(gòu)是否合理，能否承受總重為6噸的力。經(jīng)過模擬計算，如圖4所示（見附圖）。

（2）通過分析，圖中紅色區(qū)域為龍門架最薄弱部位，變形為1.067mm，而最小變形處為圖中綠色區(qū)域，變形為0.001mm。

（3）該龍門架結(jié)構(gòu)簡單，在承受總重為6噸力的情況下最大變形才1.067mm。完全符合設(shè)計要求。

6 結(jié)論

該龍門式鋼包加蓋機構(gòu)設(shè)計完成后，已應(yīng)用于湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司二煉鋼。經(jīng)過一年的運行，整體結(jié)構(gòu)牢固可靠，機構(gòu)動作順暢，自動化程度高。為企業(yè)節(jié)約噸鋼成本10元左右。

（1）本文通過鋼包加蓋所要實現(xiàn)的要求及特點，確定了最佳的總體設(shè)計方案，滿足特定的工藝和運行要求；

（2）合理計算并驗證了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，尤其對龍門架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，完全能滿足設(shè)計要求；

（3）這種龍門式鋼包加蓋機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，自動化程度高，為鋼鐵企業(yè)降本增效發(fā)揮巨大作用。

參考文獻(xiàn)：

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