D0I:10.13374/i.issn1001053x.1992.05.010 第14卷第5期 北京科技大学学报 Vol.14No.5 1992年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.1992 高炉泥炮运动参数优化设计 卞致瑞* 摘要：分析了高炉用两动作泥炮的直线机构，用SUMT优化程序计算出了各设计变量，并提 供了几组适合不同容积高护使用的设计参数，可供设计此类泥炮直接引用。 关健词：泥炮，优化设计，高炉 Optimal Design of Kinematical Parameters for Clay Gun Bian Zhirui" ABSTACT:This article focuses on the analysis of line motion mechanism of two motion clay gun for blast furnace.SUMT optimal design program has been applied to the calculations of design varibles. Croups of design parameters have been provided for blast furnace of different volume.These parame- ters can be of benefit to the design of clay gun of this type. KEY WORDS:clay gun,optimal design,blast furnace 高炉用泥炮按照工作时各机构的运动，一般分为三动作和两动作两种泥炮，它们都具有 回转、压炮和打泥3个功能。两动作泥炮转动时，回转和压炮一同完成，结构紧凑。欧洲国 家生产的PW、DDS、DAVY等液炮以及我国很多255m3高炉使用的电炮，都属于这种类 型幻3)。这种泥炮在回转的过程中同时完成压炮动作，因此，必须使炮嘴在炮身转动的最后 一段距离，作直线轨迹运动，才能满足工艺要求。以上所述泥炮，都是在回转机构中设一个 拉杆，使其和转臂、炮身、机架构成一个四连杆机构，以便炮嘴获得近似直线运动轨迹。如 图1所示PW型泥炮。 四杆机构参数的设计，直接影响炮嘴运动的直线性和泥炮的运动性能，是这类泥炮设计 的难点之一。本文提供了炮嘴运动的数学模型，可直接用于优化设计程序，求出满意的设计 ①1991一05一15收稿 机被工程系(Department of Mechanical Engineering) ·552·
第 “ 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 ， 年 月 。 乳 高炉泥炮运动参数优化设计 ① 卞致 瑞 ‘ 摘要 分析 了高炉 用两动作泥炮的直线机构 ， 用 优化程序计算出 了各设计变量 ， 并提 供 了几组适合不同容积高炉使用的设计参数 ， 可供设计此类泥炮直接引用 。 关健词 泥炮 ， 优化设计 ， 高炉 必儿 计 香 幼 肛 · 助 琳 喊 址 · 刃 纽 ， 加 吨 ， 高炉用 泥 炮按照工作时各机构的运动 ， 一般分为三动 作和两动作两种泥炮 ， 它 们都具有 回转 、 压炮和打泥 个功能 。 两动作泥炮转动时 ， 回转和 压炮一同完成 ， 结构 紧凑 。 欧洲 国 家生产 的 犷〔 ，、 、 等液 炮 以及我 国很多 高炉 使用 的 电炮 ， 都属 于这 种类 型 〔 工 〔 ，。 这种泥炮在 回转的过程 中同时完成压炮动作 ， 因此 ， 必须使炮嘴在炮身转动的最后 一段距离 ， 作直线轨迹运动 ， 才能满足工艺要求 。 以上所述泥炮 ， 都是在 回转机构 中设一个 拉杆 ， 使其和转臂 、 炮身 、 机架构成 一个四连杆机构 ， 以 便炮嘴获得近似直线运动轨迹 。 如 图 所示 型泥炮 。 四杆机构参数的设计 ， 直接影 响炮嘴运动的直线性和 泥炮 的运动性能 ， 是这类泥炮设计 的难点之一 。 本文提供 了炮嘴运动的数学模型 ， 可直接用于优化设计程序 ， 求出满意 的设计 ① 一 一 收稿 ， 机械工程系 石 咖 毗 · · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．05．010
1一炮身；2一转臂；3一机架；4一拉杆 图1PW型泥炮结构简图（俯视图） 图2P型泥炮直线运动简图 Fig.1 Sketch of PW clay gun Fig.2Schematic diagram of linear motion mechanism of PW clay gun 参数。分析了各参数对机构性能的影响，并提供了几组设计方案，在设计或改造这类泥炮时， 可以直接引用。 1优化设计数学模型 图2所示为PW型泥炮近似直线机构运动简图。坐标原点为出铁口零位点，X轴方向为出 铁口中心线方向，（表示炮嘴B到炮身与转臂的铰接点D之间长度，5表示炮身上两铰接点 D、C之间的距离，l2、3和4分别表示转臂、机架和拉杆的长度。变量AE和BD由R和R2表示。 按照工艺要求，这个机构的设计可以描述为：已知泥炮在出铁场的安装位置α和b,求出一组 机构参数，使得炮嘴E在一100mm<x<50mm的范围运动时，在与出铁口中心线垂直的Y 方向变化最小，并且炮身中心线DE与出铁口中心线夹角最小。 炮身中心线和出铁口中心线夹角6可表示为： 6=B1-d (1) 炮嘴E在Y方向的摆动量可表示为： Y=b-Risin(+6) (2) 以上两式中的B:和6：可由以下公式依次计算出： R路=屋+导一22l3cosB3 (3) a2=cos-1((G+隆一)/(2l5R2)) (4) as cos-1((+R-)/(212R2)) (5) ·553
岛 五 一 一 炮身 一 转臂 一 机架 一 拉杆 图 型 泥炮结构简 图 俯视图 。 图 型泥炮直 线运 动简 图 一 时 】 参数 。 分析了各参数对机构性能 的影响 ， 并提供 了几组设计方案 ， 在设计或改造这类泥炮时 ， 可以直接 引用 。 优化设计数学模型 图 所示为 型 泥炮近似直线机构运动简 图 。 坐 标原点为出铁 口 零位点 ， 轴方 向为出 铁 口 中心线方 向 ， ， 表示 炮 嘴 到 炮身与转臂 的铰接点 之 间长 度 ， 表示 炮身上两铰接点 、 之 间的距离 ， 、 。 和 分别表示转臂 、 机架和 拉杆 的长度 。 变量 和 由 ， 和 表示 。 按照工艺要 求 ， 这个机构 的设计可 以描述 为 已知泥炮在 出铁场 的安装位置 和 ， 求 出一组 机 构 参数 ， 使得炮 嘴 在 一 的范 围运动时 ， 在与出铁 口 中心线垂直 的 方 向变化最小 ， 并且炮身 中心线 与 出铁 口 中心线夹 角最小 。 炮身中心线和 出铁 口 中心线夹角 可表示为 声 一 炮嘴 在 方 向的摆 动量可表示为 一 一 以上两式 中的 刀 ， 和 ， 可 由以下公式依次计算出 鑫 弓一 刀 一 一 ， 若 若一 专 一 ’ 蛋 蛋一 寺 · ·
d4 x-a:-32 a3 (6) R1=片+经一2l1l2cosa4 (7) d=cos-1((3+R既-2)/(2弘B)) (8) f2=π-a4-61 (9) B,=sin-1(b/儿3) (10) B1=π-B2-B-B, (11) 由(2)式看出，在5趋于零时，Y趋于b-Risino将(8)式代入可得： Y =b-Rsin =b一B((2R)2-(+隆-)2)/(21R)2 =b-(241R)2-(+照-)2)/4R (12) (7)式中当a4在90°左右时，R趋向一个常数，将其代入(12)式，Y也趋于常数，因此可以 说，机构在，=90°左右位置工作时，6趋向零与Y趋向一个常数，是一致的。所以，可以仅 用两者之一，建立目标函数 在一100mm<x<50mm区间，依次变化转臂转角B,的值，求得平均6=Fg。建立目 标函数： F(z)=Fg 当F(x)最小时，即表示6最小，并且Y值变化最小。 由图2看出，影响机构性能的设计变量一共有7个：1、2、、4、s、b和a。 炮身长度主要由泥缸容积决定，转臂长度2，受炉前出铁场布置制约，可变范围不大。 为简化计算，按工艺要求，将这两个设计变量取固定值，实际计算证明，取5个变量是完全 能够达到工艺要求设计精度的。根据泥炮的结构布置和经验数据，给出各个变量的变化范围， 写出10个不等约束条件： gx,(x)=x一BL (i=1,2,…,5) 9z(x)=B,一x (8=6,7,…,10) BL:和BU,表示各设计变量的下界限和上界限。 为保证四边形构成还应满足以下约束： 9x1I=DC十l4-R2 9z12=l2+lg一R2 2计算实例 以某厂PW型泥炮实际结构尺寸为初始点，对变量、l4、、b、a用SUMT程序进行优 化，结果与原设备参数对照如表1。 参数优化前后，炮嘴E在一100mm<x<50mm之间运动时，杆机构优化前Y方向摆动 可达37.2mm,夹角6变化0.4766rad,而优化后Y方向摆动仅仅1.1343mm,6变化0.005 3rad。工艺所要求的性能明显提高。 ·554·
‘ 兀 一 ， 一 一 玲十 呈一 ‘ 一 ‘ 资 圣一 刀 二 一 一 声 。 ” 一 ， ， 声 ， 二 一 声 一 刀 一 声 由 式看 出 ， 在 ‘ 趋于零时 ， 趋于 一 血‘ ， 将 式代入可得 一 一 刀， ， ， 一 荃 荃一 ， 一 ， 一 资 资一 巷 子 式 中当 在 左右时 ， ， 趋 向一个常数 ， 将其代入 式 ， 也趋于 常数 ， 因此可以 说 ， 机构在 ‘ 二 。 左右位置工作 时 ， 趋 向零与 趋 向一个常数 ， 是一致 的 。 所以 ， 可以仅 用两者之一 ， 建立 目标函数 在 一 二 七 区 间 ， 依 次变化转臂转角 声 的值 ， 求得平均 。 一 。 建立 目 标函数 一 当 最 小时 ， 即表示 ‘ 最小 ， 并且 值变化最小 。 由图 看 出 ， 影 响机构性能的设计变量一共有 个 、 、 、 、 。 、 和 ， 。 炮身长 度 ， 主要 由泥缸 容积决定 ， 转臂 长度 ， 受炉前出铁场布置制约 ， 可变范围不大 。 为简化计算 ， 按工艺要求 ， 将这两个设计变量取 固定值 ， 实际计算证明 ， 取 个变量是完全 能够 达到工艺要求设计精度的 。 根据泥炮的结构布置和经验数据 ， 给 出各个变量的变化范 围 ， 写 出 个不等约束条件 劣‘ 二 ‘ 一 坛 ， ， … ， 二‘ ‘ 一 ‘ ， ， … ， ‘ 和 ‘ 表示 各设计变量的下界 限和 上界 限 。 为保证四边形构成还 应满足 以下约 束 ，， 一 ， “ 一 计算实例 以 某厂 型 泥 炮 实际结构尺寸为初始点 ， 对变量 、 、 、 ，、 用 团 程 序进行优 化 ， 结果与原设备参数对 照如表 。 参数优化前后 ， 炮嘴 在 一 之 间运动时 ， 杆机构优化前 方 向摆动 可达 ， 夹角 变化 ， 而优化后 方 向摆动仅仅 ， ‘ 变化 。 工艺所要求的性能 明显提高 。 · ·
表1PW型泥炮直线机构优化前后各变量值 Table 1 Comparisom between optimal value and used value of variables of line motion mechanism 2 g B1 mm mm mm mm mm mm rad 原始值 34003630 660 3250 950 100 0.523 优化值 3400 3630 673.87713381.833727.0983 21.12695 0.379420 以我国高炉常用泥炮转臂长度为根据，计算出几组直线机构设计参数值及它们的运动轨 迹，ymx一mn表示炮嘴运动轨迹最大偏差，dmx表示炮嘴最大摆角。见表2。其中，有的参数 已使用于某厂新建液炮上，效果很好。表2说明，在确定了1、2后，取不同的变量约束范围， 可得到不同的设计变量值，如2=3630mm一项与表1所列值有所差别，但都满足工艺要求。 表2不同转臂长度泥炮直线机构参数和性能 Table 2 Values of variables and features of line motion mechamism for clay guns with variable boom length 转臂2 泥虹h 机架 拉杆4 连杆5 一ein 1800 2700 377.7 1651.2 344.2 2.27 0.41 2.00440.0567表中长 2000 3000 419.9 1835.2 382.8 3.02 0.41 1.92930.1053度单位 2200 3230 421.5 2019.2 461.1 3.32 0.41 1.24750.0750 为mn 2400 3400 459.7 2201.4 503.2 3.39 0.41 1.17130.0338 角单位 3630 3400 759.1 3329.3 694.8 2.42 0.41 0.93060.0151 弧度 3各参数对机构影响分析 (1)由于泥炮在4=90°左右位置时，炮嘴在Y方向跳动最小，应使泥炮在X方向安装 尺寸a=41,以保证所需炮嘴轨迹直线段处于a4=90°附近。 (2)在所需的x范围内，取炮嘴轨迹在Y方向的平均值，用这个值修正原设计时的泥炮Y 方向安装尺寸b,使出铁口中心线处于轨迹Y向平均线上，这样可保证炮嘴对中心线最大摆动 等于(ymax一rn)/2。 (3)由于炮身中心线与出铁口中心线的夹角在工作位置时趋于零，所以在其他参数不变 的情况下，加长或减小41，不影响炮嘴轨迹的直线性，但安装尺寸α要相应调整，使之与1相 等。 (4)加大1和2能够减小炮嘴Y方向的跳动，改善轨迹直线性能，并且可以使泥炮非工 ·555·
表 型泥炮直线机构优化前后各变量值 汕 涨对 恤 之盖 己‘ 一 原始值 优化值 。 。 。 以我 国高炉常用 泥炮转臂长度为根据 ， 计算出几组直线机构设计参数值及它 们的运动轨 迹 ， ， 一 ，。 表示炮嘴运动轨迹最大偏差 表示炮嘴最大摆角 。 见表 其中 ， 有的参数 已 使用于某厂新建液炮上 ， 效果很好 。 表 说明 ， 在确定了 、 后 ， 取不 同的变量 约束范 围 ， 可得到 不 同的设计变量值 ， 如 一 一项与表 所列值有所差别 ， 但都满足工艺要求 。 表 不同 转份长度泥炮直线机构参数和性能 达 介级 妞 一 〕 转臂 泥缸 机架 如 拉杆 。 连杆 一 梦 夕 。 表中长 劝 。 · · 度单位 为 二 。 。 。 · · 角单位 · · 弧度 各参数对机构影响分析 由于 泥炮在 一 左右位置时 ， 炮嘴在 方 向跳动最小 ， 应使泥炮在 方 向安装 尺寸 一 ， 以保证所需炮嘴轨迹直线段处于 一 。 附近 。 在 所需的 二 范 围 内 ， 取炮嘴轨迹在 方 向的平均值 ， 用这个值修正原设计时的泥炮 方 向安装尺寸 ， 使出铁 口 中心线处于轨迹 向平均线上 ， 这样可保证炮嘴对 中心线最大摆动 等于 ， 一 歹 。。 。 由于炮身中心线与出铁 口 中心线的夹 角 在工作位置时趋于零 ， 所 以在其他参数不变 的情况下 ， 加 长或减小 ， 不 影响 炮嘴轨迹 的直线性 ， 但安装尺寸 。 要相应调整 ， 使之与 相 等 。 加大 ， 和 能够减小炮嘴 方 向的跳动 ， 改善轨迹直线性能 ， 并且可以使泥炮非工 · ·
图3炮身位登图（非工作位置） Fig.3 Position of the barrel (Rest position) 作位置时远离高温区，在情况允许的情况下，建议取大值。 (5),值取正或取负，都可取得不同的理想设计参数，但其值的变化影响炮身在休息位置 时与转臂的夹角，应根据出铁场情况选取b值，当转臂回转角度大于.120°时，建议b值不要 取负，见图3。 4结论 (1)设计两动作泥炮直线机构时，按工艺要求选取泥缸和转臂长度，只变化其他5个变 量，就能得到理想的结果。 (2)各个设计变量的优化结果不是唯一的，通过控制变量上下界限，可得到不同的参数。 (3)优化设计方法用于两动作泥炮直线机械设计和改造，效果显著。 参考文献 1 Pierre Mailliet.UK Patent Application GB2136940A r 2 Ishika Wajima Harima Jukogyo KK.Mud Gun Kokai No.54.71012 JPC 10A525 3严允进.炼铁机械.北京：冶金工业出版社，1980 4吴继庚.实用优化设计.北京科技大学教材，1982.6 556·
气之 头 图 炮身位置 图 非工 作位置 书 作位置 时远离高温 区 ， 在情况允许的情况 下 ， 建议取大值 。 值取正或取负 ， 都可取得 不同的理 想设计参数 ， 但其值的变化影 响炮身在休息位置 时 与转臂的夹 角 ， 应根据出铁场情况 选取 值 ， 当转臂回转角度大于 飞 “ 时 ， 建议 值不要 取负 ， 见 图 结 论 设计两动作泥炮直线机构时 ， 按工艺要求选取泥缸和转臂长度 ， 量 ， 就能得到理想的结果 。 各个设计变量的优化结果不是唯一的 ， 通过控制变量上下界限 ， 优化设计方法用 于两动作泥 炮直线机械设计和 改造 ， 效果显著 。 只变化其他 个变 可得到 不 同的参数 。 参 考 文 献 加 严允进 炼铁机械 北京 冶金工业 出版社 ， 昊继庚 实用优化设计 北京科技大学 教材