D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1991.01.035 笔13卷第1期 北京科技大学学报 Vol.13 No.1 1991年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ja,1991 液压泥炮旋转杆机构的参数分析 朱允言·高泽标· 捕要：通过对旋转杆机构的分析，提出了油活塞杆最大受力的表达式，提出了旋 转袖缸行程和转臂转角的关系式，为设计计算和优化杆机构参数提供了伥据。 关键司：液压泥炮，杆机构，油任活事 Analysis of Swivelling Rod Parameters for the Hydraulic Clay Gun Zhu Yunyan Gao Zebiao ABSTRAST:Nowadays The swivel of many hydraulic clay gun is performed by a piston cylinder and a rod mechanism.The formulas for the maximum force acting on the piston and for the relation between swivelling cylinder travel and the angle of the arm are given by the analysis of the swivelling mechanism, which provides basis for designing,calculation and optimizing the parameters of the rod mechanism. KEY WORDS:hydrautic clay gun,rod mechanism,piston cylinder 国内外现有液压矮泥炮都装有旋转机构，其结构类型有两种：一种是采用油马达和齿轮 传动，如日本三菱重工的MHG型等，另一种是采用活塞式油缸和杆机构，如北京科技大学 1990-09-04收稿 ·机城工程系(Department of Mechanica】Engincering) 63
第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 五 。 。 。 。 液压泥炮旋转杆机构的参数分析 朱允言 ， 高泽标 ‘ 摘 要 通过对 旋转杆机构的 分析 ， 提出了油缸活塞杆最大受力的表达式 ， 提 出了旋 转油红行程和转臂转角的关系式 ， 为设计计算和优化杆机构参数提供了依据 。 关健祠 液压泥饱 ， 杆机构 ， 油缸活塞 ’ “ “ 月夕 ‘ 石 了 五 。 立 五 下 五 五 ， 五 ， 五 五 扭 五 ， ， 国内外现有液压矮泥炮都装有旋转机构 ， 其结构类型有两种 一种是采用 油马达和齿轮 传动 ， 如 日本三菱重工的 型等 另一种是采用活塞式油缸和杆机构 ， 如北京科 技 大学 一 一 收 稿 机峨工程系 会 才 垃 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．01．035
等5单位研制的BG型等。 一般要求泥炮的旋转角度能达到160°，为了用较小的活塞杆行程实现较大的泥炮转角， BG型泥炮采用了杆机构。杆机构中各杆件尺寸参数的大小，对油缸活塞行程、活塞杆最大 受力以及杆机构的轮廓尺寸都有较大的影响。可以用作图法对不同杆件尺寸的方案进行比 较，但由于杆机构的变量较多，用作图法工作量太大，精确度也不够高。为了能用计算机计 算出不同杆件尺寸时的杆机构性能，为了能用优化设计的方法确定各杆件的最优尺寸参数， 本文对旋转杆机构的各杆件尺寸进行分析，找出油活塞杆行程和最大受力的表达式。该式 可供设计计算液压泥炮时参考，也可供采用类似杆机构的开铁口机及其他设备的设计计算时 参考。 1杆机构的工作原理1) 旋转杆机构的简图如图1，旋转油缸5的缸体上有铰接点，与”形杆4相铵接，油缸活 塞杆的一端可以绕基础上的O3点转动，油缸带动"形杆4绕O:点旋转时，通过连杆3使泥 炮的转臂2绕0：转动。 杆机构的各杆件尺寸应满足以下要求： Taphol (1)泥炮转臂能达到160°转角，杆机构在 运动过程中不出现死点。转臂达到最大转角 时，V形杆4不能和基础上的O,点铰轴相碰， 油缸5不能和泥炮炮身相碰，转臂旋转过程中 杆件3和转臂所成的夹角不能太小，以免杆件 3和转臂上的窗口相碰。另外，泥炮在压炮位置 时，油缸5和V形杆所交的压力角应大于50°。 (2)泥炮在压炮状态时，旋转油缸5的活 塞杆最大受力要小，以减少油缸的直径。 5 (3)旋转油缸的行程要小，以减少油缸的 图1旋转杆机构简图 长度，避免在转臂最大转角时旋转油缸端部和 Fig.1 Sketch of the swivelling rod mechaaism 炮身相碰。 (4)杆机构的轮廓尺寸要小，以避免泥炮的基础与高炉的水箱相碰。 上述要求中第(1)项是必保的，其他几项要求往往是顾此失彼，相互矛盾的。这就要求 确定杆机构参数时要全面考虑，各方面兼顾，进行多种方案的比较，以寻求较佳的方案。 2油缸活塞杆的受力分析 旋转机构采用活塞油缸式泥炮的优点之一，是可以取消锚钩装置。压炮时的压炮反力， 通过有关的杆件和旋转油缸的活塞杆传到泥炮的基础上。旋转油缸活塞杆的最大受力是发生 在压炮时，泥炮打泥过程中，虽然增加了对炮身的打泥反力，但这时泥套与炮嘴间的压紧力 以及与打泥反力相同的数量减少，所以，活塞杆的受力在打泥前和打泥过程中是不变的。 如忽略杆件销轴的摩擦阻力，压炮时杆件8的受力P,可由下式求出（图2）： 64
等 单位研制的 型等 。 一般要 求泥炮的旋转角度能达到 。 。 ， 为了用较小的活塞杆行程实现较大的泥炮转兔 ， 型泥炮采用了杆机构 。 杆机构中各杆件尺寸参数的大小 ， 对油缸活塞行程 、 活 塞 杆最大 受力以及杆机构的轮廓尺寸都有较大的影响 。 可以用作图法对不同杆件尺寸的 方 案 进 行比 较 ， 但由于杆机构的变量较多 ， 用 作 图法工作量太大 ， 精确度也不够高 。 为 了能用 计算机计 算出不同杆件尺寸时的杆机构性能 ， 为了能用优化设计的方法确定各杆件的最优尺寸参数 ， 本文对旋转杆机构的各杆件尺寸进行分析 ， 找出油缸活塞杆行程和最大受力的表达式 。 该式 可供设计计算展压泥她时参考 ， 也可供采用类似杆机 构的齐铁 口机及其他设备的设计计纂时 参考 。 杆机构的工作原理 〔 ‘ ’ 旋转杆机构的简图如 图 ， 旋转油缸 的缸体上有铰接点 ， 与犷 形杆 相铰接 ， 油缸活 塞杆的一端可以绕基础上的 点转动 ， 油缸带动犷 形杆 绕 点旋转时 ， 通过连杆 使泥 炮的转臂 绕。 转动 。 ‘ 、 ， 仇﹄勺 乃叼 飞﹄ 杆机构的各杆件尺寸应满足以下要隶 泥炮转臂能达到 。 转角 ， 杆机构在 运 动 过 程 中不出现死点 。 转臂达到最大转角 时 ， 犷形杆 不能和基础上的 。 点铰轴相 碰 ， 油 缸 不能和泥炮炮身相碰 ， 转臂旋转过程 中 杆件 和转臂所成的夹角木能太小 ， 以免杆件 和转臂上的窗 口相碰 。 另外 ，泥炮在压炮位置 时 ，油缸 和 犷形杆所交的压力角应大于 。 。 泥炮在压炮状态时 ， 旋转油缸 的活 塞杆最大受力要小 ， 以减少油缸的直径 。 旋转油缸的行程要小 ， 以减少油缸的 长度 ， 避免在转臂最大转角时旋转油缸端部和 炮身相碰 。 。 ， 毒件 一平 一一一 闷 图 旋转杆机构 简图 。 口 呈 杆机构的轮廓尺寸要小 ， 以避免泥炮的基础与高炉的水箱相碰 。 上述要 求中第 项是必保的 ， 其他几项要求往往是顾此失彼 ， 相互矛盾的 。 这就要求 确定杆机构参数时要全面考虑 ， 各方面兼顾 ， 进行多种方案的比较 ， 以寻求较佳的方案 油缸活塞杆的 受力分析 旋转机构采用活塞油缸式泥炮的优点之一 ， 是可 以取消锚钩装置 。 压炮时的压炮反力 ， 通过有关的杆件和旋转油缸的活奉杆传到泥炮的基础上 。 旋转油缸活塞杆的最大受力是发生 在压炮时 ， 泥炮打泥过程 中 ， 虽然增加 了对炮身的打泥反力 ， 但这时泥套与炮嘴间的压紧力 以及与打泥反力相同的数量减少 ， 所以 ， 活塞杆的受力在打泥前和打泥过程 中是不变的 。 如忽略杆件销轴的摩擦阻力 ， 压炮时杆件 的受力 ，可由下式 求出 图
P.cos6.L P3=R.cos0 (1) 式中P—一最大压炮力： 6一压炮时炮身与水平面所成的倾角： L一转臂的长度； R一—转臂上与杆件3铰接点至旋转轴的距 0一在压炮状态杆3的位置角 离 P P6 图2杆件3的受力分析 图3油缸活塞杆的受力分析 Fig,2 Force analysis on the rod No.3 Fig.3 Force analysis on the piston-rod 由图3，活塞杆受力P。为： P。=PgQ (2) 式中的和Q分别为P3和P到V形杆旋转点Q2的力臂，式(2)也忽略了销轴的摩擦阻力。 由图3：n=esin0+(R-C)cos0 (8) Q=〔(B+C)-(e+D)tgp)cos中=(B+C)cosb-(e+D)sin中 (4) W+D c0sφ=了(w+D)2+(B-T)2 (5) B-T si中=/(m+D)2+(B-T)产 (6) 将(5)、(6)式代人(4)式和(2)式得： Q=(B+C)(W+D)-(e+D)(B-T) √(W+D)2+(B-T)2 (7) P.=P,[esine+(R-C)cosD)+(B-T) (B+C)(w+D)-(e+D)(B-T) (8) 设计计算旋转杆机构时，压炮力、炮身倾角、转臂长度是已知的。各杆件尺寸参数一定 时，可由(8)式计算出活塞杆的最大受力，也可以利用(8)式来分析各杆件尺寸对活塞杆最大 受力的影响。 65
占 。 一 一 口 式 中 － 最大压炮 力 ， －转臂的长度多 －在压炮状态杆 的位置角 －压炮时炮 身与水平面所成的倾角 －转臂上 与杆件 铰 接 点 至 旋转 轴的拒 ，口 广 ‘ 州 长 阮 目 〕 户二 卜 界抽 一 曰 舀翻目 图 杆件 的受力分析 图 油缸活塞仔的受力分析 。 攀 由图 ， 活塞杆受力 。 为 五 一 区 。 ， 一 李叼 式 中的 ” 和 分别为 和 。 到犷形杆旋转点 的力臂 ，式 也忽略了销轴的摩擦阻力 。 由图 ” 口 一 ’ 二 〔 一 劝〕 价二 价一 功 环尸 “ ” ，少 于花布 二 或可可丽二了葬 二 一 功二 二下万产万了石燕『下二 犷一币声 气尸犷 甲 之 ‘ 声 一 ， 、 ， 一 将 、 式代人 式和 式得 二 平 刀 一 一 亿 甲 艺 一 。 二 〔 口 一 〕 了 甲 “ 一 平 一 刀 一 犷 设计计算旋转杆机构时 ， 压炮力 、 炮身倾角 、 转 臂长度是 已知的 。 各杆件尺寸参数一定 时 ， 可由 式计算出活塞杆的最大受力 ， 也可以利用 式来分析各杆件尺寸对活塞杆最大 受力的影响
了油缸行程的计算 3.1V形杆4的转角B和转臂转角a的关系 推导B和a的关系式时取V形杆的旋转点O,为座标原点（见图4）。 A(x,) B(xy) 图4杆件4转角的计算 Fig.4 Calculation of the angle B for the rod No.4 由 A:=Rsina +e (9) A,=Rcosa-C (10) B=Hsin(y+B) (11) B3=Hcos(y+B) (12) 式中：H=√(e+Scos0)2+(R-C-S.sin0)2 (13) 由 (B.-A:)2+(B,-A,)2=S2 (14) 得： 〔Hsin(y+β)-R-sina+e)2+〔Hcos(y+B)-(Rcosa-C)]2=S2 式中R、、S、C等均为有关杆件的尺寸参数（图4），将式展开整理后得： sin(a+B)+ Rcosa-C Rsina+ecos(y+)= H2+R2+e2+C2-S2+2R(esina-Ccosa) 2H(Rsina+e) (15), 各项同除以 1+ Rcosa-C)2得： Rsina+e 66
油缸行程的计算 。 犷形杯 的转角声和转臂转兔口的关系 推导声和口的关系式时取 犷 形杆的旋转点 为座标原点 见图 。 〔 砂尹尸一 一一一一一 已 几一一一 减 曲口口口 卜澳 」 飞 ‘ 式 中 由 得 式 中 、 图 杆件 转角口的计算 。 红 刀 亡 二 卜 ， 二 一 二 夕 声 ， 梦 声 斌布事亨花砚那主孚硬万灭不污不石盯了 二 一 二 ， 一 ， 〔 ， 声 一 · 〕 ’ 〔万 夕 声 一 甲一 〕 么 、 、 等均为有关杆件的尺寸参数 图 ， 将式展开整理后得 声 一 千云 一 夕 声 么 么 一 一 一一一，一一一公石豆示五 千 · 各项同除幼 · 架号母号 ’ 得
sin(y+B) (8: cos(y+B) V1+( Rcosa-C3 Rsina+e/ Rsinate/ e+C:-:+2R(esina-Ccosa) 2H(Rsina+e)V1+ (Rcosa-C2 Rsina+e 由直角三角形关系可得： 1 =c0s1 2 V1+ Rcosa-C Rsina +e Rcosa-C Rsina+e (Rcosa-C=sin V1+（Rsina+e） 即 coiain(y+p)cCeoua) (16) +R2+e2+C2-S:+2R(esina Ccosa) sin(+)=H(Rsina+e)+(Rcosa-C) (17) 得 f=π-2-y-sin-1 H2+R2+e+C2-S2+2R(esina-Ccosa) 2H(Rsina+e)+(Rcosa-C)2 (18) 式中 Rcosa-C A=sin-1 Rsina+e sin-1 Rcoa-C (Rsina+e)+(Rcosa-c)2 (19) 由图4可计算出 y=g〔Rt28品。〕 (20) B=m-tg'〔Rts9no〕-sm〔7 Rsing+0coa-C5) Rcosa-C 67
夕 声 一 · ‘ “ ’ 十 价 鲁箫冬 “ 了 瓮瓷母毛 ’ 忿 一 一 一 一 、 万 刀 。 、 豆丢而画下万 由直角三角形关 系可得 一 、 “ 十 、不蔽而而百 久 一 一 吮二二二二巴二二二二二巴二二二二二 二二 了 会器藉 ’ 久 即 久 夕 声 久 夕 声 么 一 一 、 亿 两石万不可了石两丽石丁己了厄 几 声 么 一 一 万了 两石而下石 万了石孔丽云万西 ，‘ 、 得 声 汀 一 久一 一 “ 丈 么 一 艺 一 斌口琢蔽西百弃了两而而万万户 式 中 一… 一 了 架黔 … “ 一 份 一 一 “ 由图 可计算出 ， 一 〔 。 一 一 一 〕 尸 一 、 尸 一 、 卢 兀 一 一 ‘ 仁万二万了不万拓百 ， 一 一 ‘ 仁 而面丽霖不了不不丽不万补
+C2-S+2R(esina-Ccosa) -sin-H (Rsina+e)(Rcosa-C) (21) 当杆件3的初始位置角8和各杆件的长度以及旋转点位置选定后，可由(21)式求出泥炮 转臂在不同转角a时V形杆的转角B。 3,2旋转油缸行程I和转臂转角a的关系 如图5，泥炮在压炮状态时，旋转油缸与P形杆4的饺接点为K,当V形杆转过B角后， K点移至K′位置，活塞杆行程为： 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 'oL 160° 120° 809 40° 图5计算简图 图6转臂旋转时的角速度变化管况 Fig,5 Calculating sketch drawing 0°为堵口位置，160'为非堵口位置 Fig,6 Angular speed change as the arm swivelling J=03K-03K! (22) O3K=√(m+D)2+(B-T)2 (23) O3K′=√Z2+O2K2-2Z02Kc0s(的-B) (24) 式中：02K=√(e+D)2+(B+C)2 (25) Z=√(w-e)2+(T+C)2 (26) 1 将(23)至(26)式代入(22)式得： J=√(w+D)2+(B-T)2- √Z2+(e+D)2+(B+C)2-2ZV(e+D)2+(B+C)2cos(的-f)(27) 式中的中可用下式求出： 68
一‘一 〔箫豁黯装瓷黔豁 二军竺卫塑〕 当杆件 的初始位置角口和各杆件的长度以及旋转点位置选定后 ， 可由‘ 式求出 泥炮 转臂在不同转角“ 时犷形杆的转角声 。 石 。 旋转油缸行程 和转甘转角口 的关系 如图 ， 泥炮在压炮状态时 ， 旋转油缸与犷形杆 的铰接点 为 ， 当犷形杆转过 声角后 ， 点移至 产 位置 ， 活塞杆行程 为 诵必 ‘ ’ 心 月 咦乒 、 、 一户扮冲卜权 、 叻‘白‘ 图 计算简图 ， 图 转臂旋转时的角速度变化借况 ’ 为绪 口位置 ， ， 为非堵口 位置 名 砚 五 二 ， 甲 二 西石了 一 石百又 ， 百丁又 了 平 一 么 石泳 ‘ 了矛 十 瓦滚 ， 一 屯丁瓦 护一 声 式 中 石贾 二 亿 褚 。 ‘ 广 亿 牙 一 “ 乞 将 至 式代入 式得 二 斌 平 刀 一 “ 一 斌 ’ 么 么 一 了 。 刀 力下亡，丫 沪一 声 式 中的砂可用 下式求出
p=co9-〔24+e+2+B+C-w+D-8-T)2 2ZV(e+D)2+(B+C)2 (28) 当液压泥炮的尺寸参数一定时，利用本节的公式可求出转臂在任意转角时，旋转油缸 的行程。 3.3计算举例 以用于1000~2500m3高炉的BG-300型泥炮为例，按公式计算出的转臂转角和油缸行 程的关系如表1。转臂旋转时角速度的变化情况如图6。 当转臂从非堵口位置旋转160°，并接着炮嘴压紧出铁口泥套，进入压炮状态后，旋转油 缸的行程」、油缸活塞杆最大受力P。和决定基础轮廓尺寸的主要因素W的数值如表2。 为了便于比较，将同样泥缸容积，同样打泥力的PW泥炮的相应参数的值也列入表2。 表1转臂转角a和油缸行程J的关系 Table 1 Relation between arm angle a and cylinder travel J 转臂转角a V形杆的转角B 旋转袖缸行程J,m 转臂转角a V形杆的转角B 旋转油缸行程J,m 0 0 0 40 22.2996 0,3382 1 0.9152 0.01262 50 26.3129 0.4054 0 1.7842 0.02469 60 30.1972 0.4722 9 2.6129 0.03629 70 34.0412 0.5398 4 3.4060 0.04749 80 37.9044 0.6092 5 4.1677 0.05833 90 41.8233 0.6810 6 4,9010 0.06883 100 45.8146 0.7555 7 5,6088 0.07904 110 49.8751 0.8327 6.2936 0.08897 120 53.9817 0.9119 6.9573 0.09866 130 58.0899 0.9924 10 7.6017 0,10810 140 62.1318 1.0727 20 13.2619 0.1936 150 66.0115 1.1506 30 18.0227 0.2685 160 69.5959 1.2233 注：计算时取 0=13°，R=0.55,S=0.58,w=1.73, 6=0.8, C=0.15, D=0.1,B=0.67,T=0.6 表2杆机构主要性能比较表 Table 2 Main property comparison of the rod mechanism 泥炮类型 旋转角度 袖缸行程」 活塞聚力 尺寸W 单 BG300型 160° 1.22 523.8 1.73 PW型 160° 1.70 564.5 2.03 69
， 。 一 〔 ， 亡 忿 一 牙 ’ 一 一 “ 了 ， 〕 当液压泥炮的尺寸参数一定时 ， 利用本节的公 式可求出 转 臂 在任意转角时 ， 旋转油缸 的籽程 。 。 名 一 计算举例 以用于 。 。 一 “ 高护 的 一 。 型 泥炮为例 ， 按公式计算出的转 臂转角和油缸行 · 程的关系如表 。 转臂旋转时角速度的变化情况如图 归 。 当转 臂从非堵 口位置旋转 ， 井接着炮嘴压紧出铁 口泥套 ， 进入压炮抉态后 ， 旋转油 缸的 行程人 油缸活塞杆最大受力 。 和决定基础轮廓尺寸的主姿因素平的数值如表 。 为了便于 比较 ， 将同样泥缸容积 ， 同样打泥力的 泥 炮的 相应参数的值也列入表 。 表 转臂转角 和油缸行程 的关系 亨 处 转嘴转竞 形杆的转角君 旋转油缸行理 ， 转嘴转角 珍杆的转角夕 旋转油肛行程 ， 。 。 。 。 。 了 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 日 。 。 器 。 。 。 公 。 。 。 。 。 召 。 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 了 。 。 ，曰九 占 注 计算时取 二 ， 。 ， ， 平 “ 。 ， ‘ 二 。 ， ， ， 。 ， 二 。 ， ” 表 杆机构主要性能比较袭 五 泥饱类型 旋转 角度 油红行程 活塞龄 力 ， 尺寸 幻 型 型 。 。 。 。 。
4结论 (1)转臂从非堵口位置向堵口位置旋转时，在a=60°的位置角速度最大，到接近堵口 位置时，角速度逐渐变慢，在ā=1°~2°时角速度大约降到最大值的一半，这有利于转臂较 平稳地停位。但逆向旋转退炮到最后停位时的角速度大于正向旋转停位时的角速度。油血的 结构上要考虑缓冲措施。 (2)泥炮转臂旋转160°时，V形杆的转角B为69°35'45”，可看出由2、8、4杆（图1） 组成的四杆机构起到了转角放大的作用，放大系数为23。`的值越小，表明杆机构的转角 放大作用越显著，但不能说B越小越好，因为还要考虑旋转油缸话塞杆的受力，杆机构的总 体轮廓尺寸等各种因素。总的确定原则是，在不增大油系和电动机的级别前提下，宁可让活 塞杆受力大些，以换取油缸行程和轮廊尺寸的缩小，以缩小泥炮基础的面积，有利于工人 的炉前操作。 (3)从表2可以看出，BG型泥炮旋转杆机构的参数优于同性能的其他泥炮，所选定的 杆机构参数是较佳的。 参…考文献 1严允进等。炼铁机械.北京：治金工业出版社，1984,278~286 70
给 论 转臂从非堵 口位置向堵 口位置旋转时 ， 在 的位置角速度最大 ， 到 接 近 堵口 体置时 ， 角速度再渐变低 在。 书 ’ 一 ， 。 时角速度大约降科最大值的拌 ， 这有 利 千转臂较 平德地停位 。 但逆向旋转退炮到最后停位时的角速度大午正向旋转停位时的 角速度 。 油缸的 “ 构才纂嚣瑟器 时冲 杆的转角，为 。 。 ， · ， 、 看， 。 、 、 · ， 《图 ， 翼 的护前坪 翼 作 。 蒸黝鹭麟蒸赞 从表 可以看出 ， 杆机构参数是较佳的 。 启 型泥炮旋转杆机构的参数优于同性能的其他泥炮 ， 所 选定的 严允进等 炼铁机械 北京 参 · 考 文 故 冶金工业出版社 ， “ 吕 吕母