余淑榮,王 澤,吳自堯

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

在礦熱爐中,布料器的更新對于提高工作效率、改善工作環(huán)境具有重要的工程意義[1]。目前,國內(nèi)外礦熱爐加料方式主要分為人工直接加料、加料管加料與加料機(jī)加料等[2]。但這幾種加料方式,人工干預(yù)較多、自動化程度低,降低了礦熱爐的生產(chǎn)效率[3]。為此,本文根據(jù)一種圓形礦熱爐,結(jié)合礦熱爐加料工藝要求,設(shè)計一種由液壓缸提供動力,進(jìn)而控制溜槽完成布料任務(wù)的礦熱爐布料器。

1 布料器結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)現(xiàn)有的資料數(shù)據(jù)、布料器工作環(huán)境參數(shù)等,通過三維建模軟件Inventor 2019進(jìn)行礦熱爐布料器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,其裝配體如圖1所示。通常,布料器作為礦熱爐的關(guān)鍵設(shè)備之一,一般處于礦熱爐爐蓋頂部。其中,布料溜槽的旋轉(zhuǎn)與傾動運動是由兩個互不干擾的液壓系統(tǒng)完成的,負(fù)責(zé)將爐料均勻布置在礦熱爐爐膛內(nèi),從而完成布料作業(yè)。

1—固定座;2—旋轉(zhuǎn)支座;3—液壓缸Ⅰ;4—轉(zhuǎn)盤;5—液壓缸Ⅱ;6—固定支架;7—旋轉(zhuǎn)圓筒;8—旋轉(zhuǎn)連接架;9—氣封罩;10—導(dǎo)向輪組件;11—旋轉(zhuǎn)軸;12—溜槽圖1 礦熱爐布料器裝配圖

對于礦熱爐布料器的工作原理,結(jié)合圖1的裝配圖可知,兩個液壓缸分別沿著水平與垂直方向驅(qū)動各自連接的部件,最終使溜槽完成所需的運動形式。在水平方向,液壓缸Ⅰ驅(qū)動旋轉(zhuǎn)連接架8,帶動旋轉(zhuǎn)圓筒7繞中心喉管旋轉(zhuǎn),再繞著旋轉(zhuǎn)軸11帶動溜槽12運動,從而實現(xiàn)布料溜槽的旋轉(zhuǎn)布料;在垂直方向,液壓缸Ⅱ驅(qū)動連接桿實現(xiàn)豎直運動,連接桿再通過銷軸將運動傳遞給溜槽12,從而實現(xiàn)布料溜槽傾動布料。還可以通過液壓缸Ⅰ和液壓缸Ⅱ的組合運動實現(xiàn)布料器多種形式布料。

2 布料器運動仿真分析

2.1 虛擬樣機(jī)建模及簡化

目前虛擬樣機(jī)已廣泛地代替物理樣機(jī),不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計的不足,而且通過仿真等方法縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期、降低了開發(fā)成本[4]。在ADAMS軟件中直接完成布料器虛擬樣機(jī)的建模,如圖2所示。在開始進(jìn)行系統(tǒng)仿真和分析之前,為了避免冗余部件對系統(tǒng)仿真所產(chǎn)生的額外影響,需要對模型進(jìn)行簡化處理[5]。

圖2 虛擬樣機(jī)仿真模型

2.2 數(shù)學(xué)模型建立與非線性擬合

通過對礦熱爐布料器模型工作原理的分析可知,欲在理論上得到溜槽的運動關(guān)系式,需要建立液壓缸活塞位移與溜槽旋轉(zhuǎn)角度(或傾動角度)之間的關(guān)系,從而得出如圖3所示的兩個液壓缸活塞位移幾何關(guān)系圖。

圖3 兩個液壓缸活塞位移幾何關(guān)系圖

在圖3(a)所示的液壓缸Ⅰ活塞位移幾何關(guān)系圖中,當(dāng)溜槽處于平衡狀態(tài)時,P為固定點,O為溜槽旋轉(zhuǎn)中心點,A與B分別為起始點與終止點。由圖3(a)中的幾何關(guān)系,可得到液壓缸Ⅰ活塞位移y1與旋轉(zhuǎn)角度θ之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式:

(1)

在圖3(b)所示液壓缸Ⅱ的活塞位移幾何關(guān)系圖中,當(dāng)溜槽處于平衡狀態(tài)時,P為固定點,O為溜槽旋轉(zhuǎn)中心點,M與A為起始點,M′與A′為終止點。由圖3(b)得到液壓缸Ⅱ活塞位移y2與傾動角度α之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式:

y2=l3απ/180

(2)

簡化后的模型在ADAMS中設(shè)置材料屬性、添加相關(guān)約束并運行仿真,仿真結(jié)束后用后處理模塊分析得到溜槽旋轉(zhuǎn)角度與液壓缸活塞Ⅰ位移關(guān)系、溜槽傾動角度與液壓缸活塞Ⅱ位移關(guān)系,分別如圖4(a)、(b)所示。

圖4 溜槽運動角度與液壓缸活塞位移關(guān)系圖

然后運用MATLAB中的傅里葉擬合方法,對圖4(a)、(b)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,在溜槽運動角度范圍內(nèi),分別得出液壓缸Ⅰ活塞位移y1與溜槽旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系式和液壓缸II活塞位移y2與溜槽旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)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仿真驗證

經(jīng)過前面對溜槽運動的理論分析與ADAMS的運動仿真分析,分別得到了液壓缸活塞位移與溜槽運動角度之間的關(guān)系式。接著借助MATLAB/Simulink驗證理論分析結(jié)果與仿真分析結(jié)果的差異性,其中,根據(jù)溜槽旋轉(zhuǎn)運動的分析,在Simulink中建立了相對應(yīng)的分析框圖[6],如圖5所示。

圖5 溜槽旋轉(zhuǎn)運動仿真框圖

在圖5所示的仿真框圖中,上面的分路表示溜槽旋轉(zhuǎn)運動的理論數(shù)學(xué)模型分析,下面的分路表示溜槽旋轉(zhuǎn)運動的擬合分析。運行模擬仿真之前,需要先設(shè)置仿真參數(shù),設(shè)置完成后在模型編輯器中選擇命令“start”,即進(jìn)行仿真,結(jié)束后得到旋轉(zhuǎn)運動差值曲線圖,如圖6所示。

圖6 溜槽旋轉(zhuǎn)運動差值曲線圖

由圖6可知,當(dāng)時間為0—0.58 s,溜槽從左極限位置運動到平衡位置處,0.58 s之后,到達(dá)右極限位置。最大差值出現(xiàn)在溜槽旋轉(zhuǎn)的左極限位置處,為0.260 mm。從旋轉(zhuǎn)運動差值曲線可知,溜槽旋轉(zhuǎn)運動模型的數(shù)學(xué)分析結(jié)果與仿真分析結(jié)果相吻合,從而驗證了溜槽旋轉(zhuǎn)運動模型的準(zhǔn)確性。

同樣的,對溜槽傾動運動進(jìn)行分析,在Simulink中建立相對應(yīng)的分析框圖,如圖7所示。

圖7 溜槽傾動運動仿真框圖

在圖7所示的仿真框圖中,上面的分路代表溜槽傾動運動的理論數(shù)學(xué)模型分析,下面的分路代表溜槽傾動運動的擬合分析。設(shè)置仿真參數(shù)后開始運行,結(jié)束后得到如圖8所示的傾動運動差值曲線圖。

圖8 溜槽傾動運動差值曲線圖

由圖8可知,以0.2 s為分界線,0—0.2 s溜槽從傾動下極限位置運動到平衡位置,0.2 s之后再運動到上極限位置。最大差值出現(xiàn)在溜槽下極限位置處,為2.223 mm。造成此類差值的原因是:對傾動運動進(jìn)行理論分析時,沒有將連接桿的繞動角度考慮在內(nèi)。從傾動運動差值曲線可知,總體上傾動運動模型的數(shù)學(xué)分析與仿真分析基本契合,驗證了傾動運動模型的正確性。

3 布料器溜槽有限元分析

在布料器中,溜槽作為重要的組成部分,其壽命和穩(wěn)定性對于精準(zhǔn)布料起著重要作用,因此需要通過有限元軟件ANSYS Workbench分析得到溜槽結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等[7]。以傾動布料為例,因為布料過程中速度不是很快,溜槽所受載荷變化不大,所以選取溜槽傾動運動的兩個極限位置進(jìn)行靜態(tài)分析。

溜槽作為布料器的關(guān)鍵部件之一,分別與旋轉(zhuǎn)圓筒、旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)接,并且長期承受較大的沖擊載荷,容易產(chǎn)生失效。當(dāng)前,主要借助有限元分析方法驗證模型的強(qiáng)度。將布料器溜槽模型通過ANSYS Workbench嵌入的接口導(dǎo)入其中,溜槽材料屬性見表1,設(shè)置參數(shù)后即可對溜槽進(jìn)行有限元分析[8]。

表1 溜槽材料屬性

對溜槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖9所示。對溜槽的靜態(tài)分析主要包括溜槽在靜載荷下產(chǎn)生的應(yīng)力及總變形量情況。完成邊界條件及載荷約束設(shè)置后[9],得到了如圖10所示的溜槽分別在兩個極限位置時的等效應(yīng)力圖和總位移圖。

圖9 溜槽網(wǎng)格劃分圖

圖10 溜槽兩個極限點處的應(yīng)力應(yīng)變圖

分析結(jié)果顯示,溜槽處于上極限位置時,最大應(yīng)力σmax出現(xiàn)在溜槽吊耳、邊角處,為11.26 MPa,其余位置則相對較小,這與溜槽本身結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。構(gòu)件的許用應(yīng)力[10][σ]=σb/S,其中抗拉強(qiáng)度σb和安全系數(shù)s分別取520 MPa和8。由機(jī)械強(qiáng)度理論可知:

[σ]=65 MPa≥σmax=11.26 (MPa)

(5)

即其強(qiáng)度滿足要求,且總位移變形量主要發(fā)生在溜槽末端,最大變形位移為0.091 99 mm。這與溜槽的結(jié)構(gòu)有關(guān),因此導(dǎo)致了溜槽末端變形量較大,但都在允許的范圍內(nèi)。

而溜槽處于下極限位置時,最大應(yīng)力σmax也出現(xiàn)在溜槽吊耳、邊角處,為11.213 MPa。同理,由機(jī)械強(qiáng)度理論可知:

[σ]=65 MPa≥σmax=11.213 (MPa)

(6)

即其強(qiáng)度滿足要求,且總位移變形量主要發(fā)生在溜槽末端,最大變形位移為0.070 472 mm,在允許的范圍內(nèi)。

綜上可知,溜槽上下兩個極限位置在受到物料沖擊的作用下,所受的應(yīng)力均在許用范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1)采用ADAMS仿真及MATLAB/Simulink的模型驗證方法,干擾因素較少,結(jié)果可信度高,可為布料器結(jié)構(gòu)實體模型的制造以及優(yōu)化提供一定的數(shù)據(jù)支持。

2)在布料器溜槽的改進(jìn)或使用中,溜槽末端可加裝防變形板,以此來降低物料對溜槽末端的沖擊變形。