新型双功能开铁口机钻冲机构

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1993.02.010 第15卷第2期 北京科技大学学报 Vol.15 No.2 1993年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.1993 新型双功能开铁口机钻冲机构 刘建平· 摘要：建立了新型开铁口机电动针冲机构的力学模型、计算了它的固有颜率和主振型。对钻冲 机构的钻进速度进行了实测分析研究，获得了机构的送进力、被钻材料的硬度、钻头形式和有 无冲打对钻进速度的影响关系。 关键词：开铁口机，炉前设备，钻冲机构 A New Type Drill Carriage of the Taphole Drill Liu Jianping ABSTRACT:Mechanical model of the drill carriage with rotation and vibrating hammer for the new type taphole drill is established.The natural frequencies and mode shapes of the model are calculated.The main parameter-push force,hardness of the material drilled,bit shapes and whether or not vibrating hammer,which affect the drilling speed and the rela- tionship among the parameters are studied on the basis of experiment. KEY WORDS:taphole drill,cast house equipment.hammer drill mechanism 随着高炉的大型化、强化冶炼和高压操作的不断发展，堵塞高炉出铁口材料使用了高 强度，耐渣铁侵蚀的无水炮泥。这样，就大大增加了打开出铁口的难度，现有绝大多数厂 家使用的吊挂钻孔老式开铁口机的能力明显不能满足现代高炉生产的需要。为此，自80 年代以来，我国已先后从国外引进5套开铁口机，其钻冲机构绝大多数采用压缩空气为动 力。当采用气动时，较易实现冲打运动，但首先需增设单独的空气压缩机站，以保证有稳 定压力的气；其次，气源要干净，即压缩空气必须经净化过滤后方可使用；再次，要具备 合格过硬的气动元件。而我国厂家目前还不完全具备以上条件。为此、在新型开铁口机钻 冲机构中采用电动，不但可使钻杆旋转、而且可实现冲打。这样，既可避免以上某些条件 的不足，又可避免采用气动时需使用的大活接头。 在理论分析的基础上，用1：1实样模型在实验室进行了该钻冲机构的模拟开铁口试 验，获得一些重要结果。 *1992-06-24收稿 *机械工程系(Department of Mechanical Engineering) 第一作者：男.39岁、副教授

第 巧 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 年 月 入 新型 双功能开铁 口 机钻冲机构 刘建平 ‘ 摘要 建立 了新型 开 铁 口 机 电动钻 冲机构的 力学模型 ， 计算 了它 的 固有 频率和 主振 型 。 对钻 冲 机构 的钻进速 度进行 了实测 分析研 究 ， 获得 了机构 的 送进 力 、 被钻 材料 的硬 度 、 钻 头形 式 和 有 无冲打对钻进 速度 的影响关 系 。 关键词 开铁 口 机 ， 炉前设备 ， 钻 冲机构 ‘ 一 ， ， ， ， ， 随着 高炉 的大型化 、 强 化冶炼和 高压操作 的不断发展 ， 堵塞 高炉 出铁 口 材料使用 了高 强度 ， 耐渣铁侵蚀 的无水炮 泥 。 这样 ， 就大大增 加 了打开 出铁 口 的难度 ， 现有绝大多 数 厂 家使用 的 吊挂 钻孔 老式开 铁 口 机 的能力 明 显 不能满 足 现 代高炉 生 产 的需 要 。 为此 ， 自 年代 以来 ， 我 国 已 先后从 国外 引进 套开铁 口 机 ， 其钻 冲机构绝 大多 数 采 用压缩 空气为动 力 。 当采用气动 时 ， 较易实 现 冲打运 动 ， 但首先需增 设单独 的空 气压缩 机站 ， 以 保证有稳 定压力 的气 其次 ， 气 源要 干净 ， 即 压缩空气必须经净化过滤后 方 可使用 再次 ， 要具备 合格过硬 的气动元件 。 而我 国厂家 目前还不 完全具备 以上条件 。 为此 ， 在 新 型开铁 口 机钻 冲机构 中采用 电动 ， 不但可使钻杆旋转 ， 而且 可 实现 冲打 。 这样 ， 既可 避 免 以上某些条件 的不足 ， 又可避免采 用气动 时需使用 的大活接头 。 在理论分析 的基础 上 ， 用 实样模型 在 实 验 室进行 了该钻冲机构 的模拟 开铁 口 试 验 ， 获得一些重要结 果 。 刁 一 收稿 机械工程 系 第一作者 男 、 岁 、 副教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1993．02．010

·184· 北京科技大学学报 1993年N.2 1结构及振动模型分析 】为‘实样榄甲.图1昏出：，这种电动式钻冲机构要山旋转电机5，绘传动系 统6带动钻扑9旋转.冲打运动两台振动电机4来实现.整个机构由弹簧联结走1架 8上，为模拟实际作时的情况，女门设计了试验架2。机构的送进由紫时」走架的钢 丝绳3.绕过两滑轮、常重锤1个引.伞引力的人小攻变重锤的重骨来决定， a 图1钻冲机构示意图 图2旅动模型 1.重锤：2.导向轨梁和试验架；3钢丝绳；4.振动电机：5主电机： Fig.2 Vibration model 6.传动系统：7.弹簧：8.走行架：9.钻杆：10.滑轮 Fig.I The schematic drawing of the drill carriage 该系统的正要动态特性为沿水上方向的动力学行为。为此，当忽略阻龙时、图】结构 可简化为图2的振动模型。图中： 1一弹簧以卜本体的质量： M:—走行架的质t: M,一试验架的质量： M:—重锤的质量： K1—弹簧沿水平方向的刚度： K,一-一牵引钢丝绳的刚度： K,一一支承宁向轨梁两点处的横梁沿水平方向的总等效刚度。 利Lagrange方程 d(I)-江+“=Q (1) d19,叫，4。 来建立系统的振动微分方程，系统的动能： T=,+m+m,+m]2 (2 系统的势能： U-K,.-,)+Kx:-,+x,)广+K,1 (3)

化 王二气 科 技 、 归 年 结构及振动 模型分析 咚 为实 样 模 喇 山 冬 石出 ， 这 种 电动式 钻 冲机 钩 二要山旋转 卜电机 ， 经 传动 系 统 带 动 钻 于 一 旋转 冲打运 动 山两 台振 动 电机 来 实现 ， 整 个机 构 山弹 簧联 结 一 走 行架 卜 为模拟 实 际 一 作时 的情 况 ， 专门 设 计 ’ 试验 架 机 构 的送 进 由紧固 几 走 架的 钢 丝 绳 ， 绕 过 两 淞轮 ， 靠 币睡 个 引 牵 引 力的 大 小由改 变 重锤 的 币 蔽来决定 ‘ 粉六曰 图 图 钻冲机构示意图 图 振 动校 烈 重锤 导向轨梁和试验架 钢丝绳 振动 电机 弓主 电机 、 ‘ 传动 系统 弹簧 走行架 钻杆 滑轮 该 系统 的 仁要动 态特 性 为沿 水 、 叹 方 一 向 的 动 少 ’ 羊行 为 」 为此 ， 当忽 略阻 尼 时 ， 图 结 构 叮 简化 为咚 的振 动模 划 图 中 盯 － 弹 簧以 卜本体的 质 量 对 － 走行架的 质 吊 盯。 － 试验 架 的 质 带 订 － 玉锤 的质 鼠 － 弹 簧洽 水 ’ ’ 方向的 刚 度 一一个 引钢丝 绳 的 刚 冬 一一 支承 汁向轨 梁 两 汽处 的 横梁护汁水 ’ 凡 方向的总 等效 刚 度 利 用 方 程 旦 ‘叮 二，’ 刁斤 」 来建 、 一 系统 的振 动 微 分 方程 系统 的 动能 了 ’ 一 ‘，， 工 、 ，，， 一 ‘ 、 ，， 一 、 ，， 、 卜 系统 的协 能 。 ， 一 粤 、 ， 、 一 、 ， 、 、 一 、 ， 、 “ ， 一

Vol.15 No2 新型双功能开铁口机钻冲机构 ·185· 将式(2)、式(3)代入式(1)可得方程： m+x-Kx:=Psinet m.,-K,X1+(K,+K.N,-K,r3-KK=0 （4) mKx+(K.+K:+K,=0 m-K:x:+k::+K:X=0 式4与成矩阵形式为： :00 01「￥，1 K 一K 0 0 0 1、0 0 -K+K 一K、 0 0 0 0 一K、 K,+K, 00 0m4 0 -K. 下 K 「P,sinot 0 (5) 0 0 系统的各质量和刚度值为： 1=381kg:n=10kg:m3=80kg:m:=115kg.230kg.346kg.481kg: K1=7686N/cm:K,=1443N/cm:K,=310514/cm 将各质量和弹性元件的刚度值代入式(5)的频率方程、上机算出系统的各阶固有频 率和相应的主振型。由于该系统为半正定系统，即刚度矩阵为非满秩矩阵，所以，4质量 系统只能求出3个大于零的固有频率及相应的主振型。 当m4=115kg时.固有频率f=5.89623Hz;3=48.57153Hz5=99.96976Hz 相应的主振型矩阵： 「-0.29902-0.022180.00025 -0.095991.00000 -0.04782 〔A门= -0.005090.00614 1.00000 1.00000 -0.013610.00335 当m1=230kg时、固有频率：=4.61470Hz;f=48.54629Hz:5=99.96936Hz 相应的主振型矩阵为： -0.59651-0.022210.000257 -0.348421.00000 -0.04774 〔A2= -0.006250.00609 1.00000 1.00000-0.006740.00167 当m4=346kg时，固有频率f=4.11107Hz;5=48.53815Hz;f=99.96923Hz 相应的主振型矩阵为：

了 新型 双功能开铁 口 机钻 冲机构 将 式 、 式 代八 式 可 得方程 川 笼 一 尸 ， 川 二芜 一 十 叽 十 月 工 一 凡 刃 一 凡 凡 一 叭 爪 一 凡 刃 二 凡 凡 凡 丫 一 … 一 凡 工 凡 工 凡 工 、 一 式 写 成矩 阵形式 为 舜 一 一 一 一 一 。 一 曰了 系统的各 质量 和 刚度 流为 ， ， ， 一 ， 一 ， 凡 ‘ 凡 ‘ 将 各质量 和弹 性 元 件 的 刚度 值代人式 的频 率方 程 ， 卜机 算 出系统 的各 阶 固有濒 率和 相 应 的 主振 型 。 由于该 系统 为半正 定 系统 ， 即刚 度矩 阵 为非 满 秩矩 阵 ， 所 以 ， 质量 系统 只能求 出 个大于零的 固有频率及 相 应 的主振 型 。 当 时 ， 固 有 频 率 八 相 应 的主振 型 矩 阵 刁 一﹃ 一 一 一 ‘ ，户。 一 一 刀 〔 〕 一 当 。 一 时 ， 固 有 频 率 八二 儿一 一 相 应 的主振 型 矩 阵 为 ，﹃ ，气 ︺了，了 飞 〔 〕 一 一 一 一 一 一 一 当 日寸 ， 固 有 频 率 ‘ 儿 。 相应 的主振型 矩 阵 为

·186· 北京科技大学学报 1993年No.2 -0.88645-0.02222 0.00025 -0.59385 1.00000 -0.04771 CA -0.007380.00608 1.00000 1.00000 -0.004510.00112 当m,=481kg时，固有率=3.78600Hz;=48.53339Hz;3=99.96918Hz。 相应的土振型矩阵为： 1.0000 -0.02222 0.000257 0.72006 1.00000 -0.04769 〔A 0.00707 0.00607 1.00000 -0.80683-0.00322 0.00080 2试验研究分析 试验的主要内容包括：当试验因素水平变化时、对钻进速度的锐响：钻削电机的电 流、功率和两振动电机的自同步性能。 2.1试验方法和试验设备 影响开口机钻冲机构钻进速度的主要 因素有：送进力的人小，所用炮泥烧结斤 的硬度，钻头的形状及材质、冲打与否及 冲打频率的人小，钻头的旋转速度、激振 力的大小等。因此、彬响钻进速度的因索 较多，同时这些因素之调义可能作作交万 作用，这是一个较复杂的多因索试验，鉴 子实验室的试验条件，并根据各因索的重 要程度，选样了送进力、被钻材料的软硬 度，钻头形状及其材质和冲打'与个作为试 图3钻头的结构形状 验的4个试验因素。 Fig.3 The bit shapes 送进力的大小通过改变币锤的重量来 实现。被钻材料选用两种不同硬度的混凝上块（原用广采矿凿者机试验）和人块耐火砖， 在表1中分别以较软，较硬和硬表示。钻头的形式图3所示.其中()为嵌硬质个金 刀川钻头：(b)为无硬质合金刀功的45钢经淬火处理的钻头。 钻削：电机的电流、功率的测量采用电流感器、电压感器、功率变送器和电流变 送器、用SC20线振了小示波器记录。电流和功率的标定是在测量线路中串人电流表和相 功率表现场直接标定，以尽可能地减少误养。 两振动电机自同步时问的测定选用了2组红外发光极管和硅光电极管、信号经放 人器放人后直接送SC20线振了示波器求 2.2试验结果分析

北 京 科 技 大 学 学 报 年 一 一 一 一 〔 〕 一 ， 一 当 时 ， 固 ’ 频 率 】 今 ‘ 相应 的 主振型 矩 阵 为 。 「 ’ 〔 〕 一 ” · ” 一 一 一 一 试验研究分析 试验 的 二要 内容 包括 当试 验 因素 水 平变化 时 ， 对钻进 速 度 的 彬响 钻 削 二电机 的 电 流 、 功 率和 两振 动 电机 的 自同步性 能 。 试验方法和试验设备 影 响 开 「机 钻 冲机 构 钻 进 速 度 的 二要 迎乡 、 因 素有 送 进 力的 大 小 ， 所 用炮 泥烧结 后 ，、 气 的硬 度 ， 钻 头 的 形 状 及材 质 ， 冲打 ’ 否 及 热泞 今刀 冲打 频 率的 大 小 ， 钻 头 的 旋 转 速 度 、 激 振 世 口 力的 大 小 等 。 因此 ， 影 响 钻进 速 度 的 因 素 较多 ， 同时这 些 因 素之 间 又 可能 存 在 交 一 互 井 之兰、 作用 ， 这 是 一 个较 复 杂 的 多 因 素试验 · 鉴 丁 屯 实 验 室 的 试验 条件 ， 少仁根 据 各 因 素的 玉 要程 度 ， 选 择 了送 进 力 、 被 钻 材 料 的 软 硬 度 ， 钻 头形状 及 其 材 质 和 冲打 ’ 否 作 为 试 图 钻头的 结构形状 验 的 个试验 因 素 。 尸 送 进 力的 大小通 过 改 变 币锤 的 玉墩 来 实现 。 被 钻材料 选 少 两 种 不同硬 度 的 即疑 卜块 原 川 二 采矿 凿 岩机 试验 和 人块 耐 火砖 ， 在表 中分 别 以 较 软 、 较 硬 和硬 表 示 钻 头的 形式 如 图 所 示 ， 其 中 为嵌 硬 质 合金 刃 钻 头 为无 硬 质 合 金 刀 刃 的 钢经 淬 火处理 的钻 头 。 钻 削 卜电机 的 电流 、 功 率的测 量 采川 电流 互感 器 、 电版 互感 器 、 功 率变送 器 和 电流 变 送 器 ， 用 线 振 示 波 器 记 录 。 匕流 和功 率 的标定 是 在测 量线 路 中串人 电流 表 和 ’ 相 功 率表现场 改接标定 ， 以 尽 能地 减 少误 盖 。 两振 动 电机 自同步时 问 的测 定 选 川 ’ 组 红 外发 光 二 极 竹和硅 光 电 二极 竹 ， 信 号经 放 人器 放大后 直接送 线 振 示 波 器 记录 试验结果分析

Vol.15 No2 新型双功能开铁口机钻冲机构 ·187· 由表1主要试验记录结果可绘制出图4送进力与钻进速度的关系，及图5钻进速度和 主电机功率的关系。 表1试验记录 Tablel Experimental records 试验号 送进力 有无冲打 钻头形式 材料 钻进速度 主电机功率 (N) (mm /min) (kW) 245 尤 a 较硬 17 0.84 2 245 有 a 较硬 27 0.96 3 735 a 较硬 46 1.68 735 有 a 较硬 108 2.88 735 b 硬 13 1.44 6 735 有 b 硬 9 1.44 1225 a 较硬 82 0.96 1225 有 a 较硬 162 1.20 9 1715 b 硬 12 2.28 10 1715 有 b 26.6 2.64 11 2450 a 较软 3 3.36 12 2450 无 a 较软 40 3.00 13 2450 a 较软 360 5.40 14 2450 有 a 较软 350 4.80 15 2450 b 硬 36 2.40 16 2450 无 b 17.3 3.12 17 2450 有 b 硬 80 3.12 18 2450 有 硬 105.6 4.00 有冲打 320 4 冲江 3 160 14 360 245 735 12251715 2205 F/N 图4送进力与钻进速度的关系 图5钻进速度与主电机功率的关系 Fig.4 Dependence of the drilling speed on push force Fig.5 Dependence of the power on drilling speed 从表1和图4可看出，在影响钻进速度的这些因素中，送进力是最活跃的因素之一。 它对钻进速度的影响最显著，并成线性关系。送进力越大，则钻进速度也越大。但送进力 的增大要受两个条件的制约：一是使钻杆工作时不产生挠曲；二是必须使钻头能实现抬离 冲打，即带有冲打钻进时，钻头与孔底之间的接触与否随着激振力方向的变化而变化

新型 双功能开铁 口 机钻冲机构 由表 主要试验记录 结果可绘制 出 图 送进力 与钻进 速度 的关 系 ， 及 图 钻进 速度和 主 电机功率的关 系 。 表 试验记录 试验号 送进力 有无冲打 钻头形式 材料 钻进速度 主 电机功率 ， 无 较硬 有 较硬 住 无 较硬 有 较硬 无 硬 有 硬 无 较硬 月 有 较硬 无 硬 ， 有 硬 无 较软 无 较软 有 较软 有 较软 无 硬 无 硬 有 硬 有 硬 才 ‘ 人川 垦 乡 ‘ 刁 叭 二 吐 产 少 扮 丫 一 ， 一三， 卜斗甲件， 钊 ’ 几 和 一 ’ 咖 图 送进力与钻进速度的关 系 琳 图 钻进速度与主 电机功率的关 系 伴 从表 和 图 可看 出 ， 在影 响 钻进 速 度 的这些 因素 中 ， 送进力 是 最 活跃 的 因素之 一 。 它对钻进速度 的影 响最显著 ， 并成线性关系 。 送进力越大 ， 则钻进速度也越大 。 但送进力 的增大要受 两个条件的制 约 一是使钻杆工 作时不 产生挠 曲 二是必须使钻头 能实现抬高 冲打 ， 即带有 冲打钻进 时 ， 钻头与孔底之 间的接触与否 随着激振力方 向的变化而 变化

·188· 北京科拉大学学报 1993年.N0.2 冲打针进的速度比只旋转钻进时的进给速度有明成的提高、并随被钻材料硬度的变 化不同.硬度越低.进给速度提高的幅度越人这是内为在冲打过程中行连续不断的 转切削作：用，收变」中载何的方位.较脆的被钻材料切实现裂痕的扩装.从血使钻进 速度明皱提尚 是高钻进速度时.钠削主：电机的功将增.两者并作按同比例增加。 3结论 1)钻进速度j送进力成比，'与被钻材料的硬度成反比 (2)对较硬的无水炮泥.采用接硬质金月什的钻头.对较软的有水炮泥、直接用 45钢加广经卒火后使用， (3)采用冲打成共提高钻进速度.·般比不带冲打钻进可使钻进速度提高50%~ 150%,钻削电机功率增加50。.钻进速度可提高1倍、 (4)采用该电动钻冲机构可实现旋转、止打和逆打、以满是现代化高开铁1的工艺 要求，整个机构安装、调试方便、作可常 参考文献 1郑兆4.机械振动.北京：机械工业版补.1986 2任落泉.试验优化技术.北京：机械业版社.1987 3刘建平.治金设备、1992：(5：22

一 年 、、 川 ‘于 乞占些讨的速 夏比 只 旋转 钻 些 寸的进 给 虫 变有明 与适的提 「 ’ 勺 ， 少个随 破钻 材 料硬 度 的 变 化而 不同 硬 度 ，遨低 些给速 度提 高的 幅 度越 人 这 是因 为 在冲于 一 过程 中有连 续 不断的 回 转 了 削竹 川 ， ，交变 ’ ， ，， 载 八厅每勺 ’ 、二 较 脆 的 被 钻 材 料 易 几 公万现 裂琅 的打 “ 一 展 从 介 吏钻进 速 变明 ，里提 ， ’ ’ 气提 佰钻进 速 度时 ， 钻 削 一 电 的功 率将埔 加 「两 者并 卜按 同 比例增 加 结 论 川 钻进 速 度 ’ 。 送进 力成 正 比 ’ 。 被钻 材料 硬 度 成反 比 · 全较 史 勺少匕 水炮 己 采川镶 使 又厂犷 又 幸的 钻 ， 、 对较 软 的 有 水炮 已 ， ‘ ， 飞接 川 钢 加 经 淬 火后使川 采 川 冲打 吓掀 片提 高 钻进 速度 、 般 比 小带 冲打 钻进 可 使钻进 速 度提 高 一 件乞 钻 削 二电机 功 率增 加 “ 。 钻 进速 度 ，， 提 高 行 采用 该电动 钻 冲机 构 ，厂实现 旋转 、 打 和逆 乎 一 ， 以 满 足现 代化高炉 铁 的 艺 要求 整 个机构 安装 、 调 试 方便 ， 一 作 可 弃 ‘ 参 考 文 献 关卜兆 吕 机 械振 动 北 京 机 械 、 卜 饭子 于露 泉 试验 优 化技 术一比京 机 械 一 业 出版 社 ， 刘建 ’ 几 冶 余 没 务