孫達飛

（重慶世瑪?shù)轮悄苤圃煊邢薰旧虾７止?上海200000）

1 前言

泥炮，屬于冶煉行業(yè)必備的爐前設(shè)備，見圖1。泥炮由斜底座1、回轉(zhuǎn)機構(gòu)2、壓炮機構(gòu)3、打泥機構(gòu)4和液壓系統(tǒng)5等組成，其作用是能夠迅速準確堵塞放鐵后的出鐵口，使高爐快速進入下一循環(huán)的作業(yè)。泥炮工作的安全可靠性直接影響高爐的安全生產(chǎn)和作業(yè)效率［1］。液壓泥炮能夠迅速準確堵塞放鐵后的出鐵口，使高爐快速進入下一循環(huán)的作業(yè)，是目前大中小型煉鐵廠家較理想的爐前設(shè)備［2］。

圖1 液壓泥炮結(jié)構(gòu)

泥炮工作過程分為兩個階段，第一階段是泥炮由靜止狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到打泥位置，第二個階段是泥炮打泥完畢并旋轉(zhuǎn)回到初始位置。兩個階段組成泥炮機構(gòu)的一個工作周期。打泥機構(gòu)采用打泥液壓缸活塞桿與驅(qū)動腔體固定、缸體運動的方式。由缸體推動泥塞前進，打出炮泥進行堵口，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的功能是使液壓泥炮的打泥機構(gòu)能夠往返于工作位和待機位［3］。

通過對泥炮工作的兩個階段進行動力學分析，獲得各鉸鏈受力情況，依據(jù)受力分析各關(guān)鍵部件應(yīng)力情況，得出曲臂在打泥狀態(tài)下的應(yīng)力較高，最后分析了曲臂的疲勞壽命，通過實際驗證了仿真分析結(jié)果的準確性。

2 動力學分析

2.1 仿真模型建立

通過在三維軟件中對模型進行適當簡化后導入Adams中進行動力學分析，目的就是提取各個鉸鏈點的受力。圖2為導入Adams中的初始模型，泥炮炮身處于待啟動狀態(tài)。

圖2 泥炮動力學模型

2.2 旋轉(zhuǎn)過程動力學仿真

第一階段運動實際工作中，泥炮油缸中充入油液后炮身開始運行。在仿真中，在Adams中的轉(zhuǎn)炮油缸和油缸活塞的平移副中施加運動。根據(jù)油缸的行程和運行時間得出油缸速度為93mm／s。經(jīng)過仿真得到了旋轉(zhuǎn)油缸過程中的推力曲線，見圖3。

圖3 旋轉(zhuǎn)油缸推力曲線

2.3 旋轉(zhuǎn)過程各鉸點受力

提取轉(zhuǎn)臂鉸鏈點joint19受力，如圖4。

圖4 joint19點在泥炮中的位置

通過分別測量joint19的X、Y、Z方向的受力，測量位置為joint19在轉(zhuǎn)臂上的點，測量坐標系為轉(zhuǎn)臂的質(zhì)點坐標系，得到j(luò)oint19在旋轉(zhuǎn)過程中三個方向受力如圖5。

圖5 joint19受力圖

依次測量其它鉸鏈點在泥炮旋轉(zhuǎn)過程中的受力，獲得各鉸鏈受力數(shù)據(jù)。

2.4 打泥過程動力學仿真

在旋轉(zhuǎn)過程運動結(jié)束之后，泥炮運行到打泥位置，開始打泥工序。根據(jù)實際工況在仿真中給轉(zhuǎn)炮油缸施加壓炮力297000N。在炮嘴位置添加球鉸鏈約束，因為泥炮靜力平衡，仿真求解器采用static。

提取轉(zhuǎn)臂鉸鏈點joint19受力，通過分別測量joint19的X、Y、Z方向的受力，測量位置為joint19在轉(zhuǎn)臂上的點，測量坐標系為轉(zhuǎn)臂的質(zhì)點坐標系，得到j(luò)oint19在打泥過程中三個方向受力如圖6。

圖6 joint19受力圖

依次測量其它鉸鏈點的受力，鉸鏈點分別為JOINT15，JOINT16，JOINT3，JOINT5，JOINT7，JOINT8，為后續(xù)有限元分析做好準備。

3 關(guān)鍵零部件有限元分析

泥炮在工作過程中，通過測量結(jié)果知道轉(zhuǎn)臂、曲臂和鞍座受力較大，打泥階段各部件受力大于旋轉(zhuǎn)階段，故本節(jié)僅對打泥過程三個部件進行有限元分析校核。

3.1 轉(zhuǎn)臂

曲臂兩側(cè)軸承位置分別定義XYZ三個方向的位移約束，在打泥過程中由于轉(zhuǎn)炮油缸為恒力，各部件鉸點受力亦為恒值，通過文本信息分別得到X為11317N，Y方向為-321157N，Z方向為132417N。通過銷軸進行加載，在不影響接觸的情況下，銷軸中心打孔，在中心孔的面上加載面力，面力大小按加載力除以中心孔投影面積確定。圖7所示為銷軸加載區(qū)域，同時可以看到網(wǎng)格劃分情況。

圖7 轉(zhuǎn)臂加載及網(wǎng)格劃分

提交計算后得到如下表1計算結(jié)果，轉(zhuǎn)臂最大Mises應(yīng)力為57.4MPa，見圖8，低于材料屈服應(yīng)力345MPa，結(jié)構(gòu)強度可靠，總位移不到0.3mm，處于較低水平，剛度可靠。

表1 轉(zhuǎn)臂分析結(jié)果

圖8 轉(zhuǎn)臂Mises應(yīng)力

3.2 曲臂

分別在約束軸段建立三個方向位移約束，過文本信息分別得到X為-21977N，Y方向為-127115N，Z方向為-322343N。通過銷軸進行加載，在不影響接觸的情況下，銷軸中心打孔，在中心孔的面上加載面力，面力大小按加載力除以中心孔投影面積確定。圖9所示為銷軸加載區(qū)域，同時可以看到網(wǎng)格劃分情況。

圖9 曲臂加載及網(wǎng)格劃分

提交計算后得到如下表2計算結(jié)果，曲臂最大Mises應(yīng)力為172.4MPa，見圖10，低于材料屈服應(yīng)力345MPa，結(jié)構(gòu)強度可靠，總位移2.2mm，處于較低水平，剛度可靠。

表2 曲臂分析結(jié)果

圖10 曲臂Mises應(yīng)力

3.3 鞍座尾架及垂直調(diào)整裝置

分別在約束面建立三個方向位移約束，通過文本信息分別得到X為-6078N，Y方向為-1346N，Z方向為-1570N。下方承受炮身重力，施加一個豎直向下的面力，面力大小為炮身重力除以投影面積。投影面積為垂直調(diào)整裝置和鞍座承受炮身重力共同的投影面積。采用耦合方式加載，加載及網(wǎng)格劃分見圖11。

圖11 鞍座加載及網(wǎng)格劃分

提交計算后得到如下表3計算結(jié)果，曲臂最大Mises應(yīng)力為21.74MPa，見圖12，低于材料屈服應(yīng)力345MPa，結(jié)構(gòu)強度可靠，總位移0.09mm，處于較低水平，剛度可靠。

表3 鞍座分析結(jié)果

圖12 鞍座Mises應(yīng)力

在泥炮的打泥過程中，泥炮是在施加了一個平穩(wěn)的壓炮力之下工作，是一個靜力學問題。提取各點受力，對泥炮三個關(guān)鍵部件進行應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明，三個關(guān)鍵部件強度和剛度均可靠。但曲臂是工作中應(yīng)力最大部件，其打泥過程Mises應(yīng)力最大的位置和泥炮旋轉(zhuǎn)過程中應(yīng)力最大的位置基本相同，處在與轉(zhuǎn)炮油缸連接的軸承外圈相接觸的面上。此外，曲臂Mises應(yīng)力較大的位置還有曲臂內(nèi)圈曲率最大的面上，同時，這個面也是最大主應(yīng)力出現(xiàn)的位置?？傮w上來說，曲臂受到的應(yīng)力值離材料屈服極限還有一段距離，但數(shù)值也相對較大，所以在泥炮的行進過程和打泥過程中，盡量避免泥炮在工作中受到?jīng)_擊，需要做好液壓系統(tǒng)的緩沖設(shè)計。

4 曲臂疲勞分析

FE-SAFE軟件是在疲勞分析中有很強大的功能，既可以計算簡單的單軸載荷下的疲勞壽命，也可以計算對復(fù)雜的多個疊加載荷工況的疲勞壽命［4］。

泥炮在實際工作中反復(fù)執(zhí)行第一和第二階段工作，相關(guān)部件處于周期周期交變載荷工況，雖然最大應(yīng)力值沒有超過屈服強度，但是在這種周期交變載荷下依然可能較快失效，必須要對關(guān)鍵部件進行疲勞壽命校核分析。由于曲臂為三個關(guān)鍵部件中受力最大的部件，以曲臂為例分析其疲勞壽命是否滿足要求。

4.1 分析步驟

（1）利用Adams對泥炮機構(gòu)周期分析，獲取泥炮機構(gòu)一個周期內(nèi)的載荷數(shù)據(jù)。

（2）對曲臂進行有限元分析，載荷邊界條件為X、Y方向各為1MPa載荷。

（3）將有限元分析的odb文件導入到FESAFE，進行以下設(shè)置：

圖13 清除信息，導入ODB文件，選擇Pre－scan

圖14 施加X、Y方向單位應(yīng)力

圖15 Properties中應(yīng)力設(shè)為MPa

圖16 設(shè)置為一個周期內(nèi)載荷

圖17 選擇整個組，采用材料默認算法

圖18 設(shè)置殘余應(yīng)力，進行計算

4.2 分析結(jié)果

如圖19，由分析結(jié)果可知，零部件最小循環(huán)次數(shù)為1e6.392。

圖19 循環(huán)次數(shù)

如圖20，由分析結(jié)果可知，循環(huán)次數(shù)為1e7時，最大破壞概率為75.9%。

圖20 失效概率

由以上結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是可靠的，在保證結(jié)構(gòu)運行的情況下，壽命達到1e6.3次。

5 結(jié)論

本文首先建立了泥炮三維模型，根據(jù)實際工況進行了動力學分析，提取了各鉸鏈點受力。利用受力邊界條件對三個關(guān)鍵部件進行了有限元分析，驗證了部件的強度和剛度可靠性。在此基礎(chǔ)上對曲臂進行了疲勞壽命分析，得到曲臂壽命為1e6次，表明部件滿足使用要求，驗證了設(shè)計合理性。在后續(xù)的實際工作中對應(yīng)力進行了測試，得到的測試結(jié)果與仿真結(jié)果誤差在15%以內(nèi)，進一步驗證的仿真模型的準確性，為液壓泥炮結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。