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第4期 罗金良等：高炉堵渣机的结构分析与优化设计 .427 响将更加突出，因此，分析堵渣机的过约束数量、分 度，采用位移矩阵法，按堵头运动轨迹的精确点建立 布和配置，进行自调结构设计，显得尤其重要 了轨迹综合方程[8]，对平移阶段的四杆机构 现采用详细公式与回路自由度法[5-]，对升降 CDEG进行了连杆轨迹的综合与优化，得到了堵渣 阶段进行过约束分析，其结果如表1所示 状态下C、D、E、G点位置的一组优化值，Cx、C,分 表1堵渣机升降阶段过约束分析 别表示C点的x、y坐标值，其他等同，单位为m, Table 1 Analysis of overconstraint for a stopper in lift phase 即：Cx=0,C,=0:Gx=0.507,G,=-0.081;E.= 运动副平面自由度 运动副空间自由度 0.447,E,=-1.889;D.=-0.070,D,=-1.984. 序号 分析 条件 ” f” 而原来的参数为：Cx=0,C,=0:Gx=0.494,G,= 1 Py=8 0 0 -8 000 -0.087;Ex=0.432,E,=-1.840;D2=-0.068, 2 PN-I -1 0 0 -1 0 0 3 Pu=1 -1 0 -1 0-1 -1 D,=-1.960. 4 3 3 3 3 333 2.2堵渣机传力及动力学参数的优化设计 6kf 1 3 -6 2 2 2 ·全局自由度 利用ADAMS强大的动力学分析功能，通过逐 ATBC -1-4 ABC T 0 0 渐改变相关参数进行搜索来求得较优的解1，). 局部自由度· ()滚子尺寸的优化设计.滚子半径的改进主 7 CLKF KF L L 要考虑：增加滚子半径可能改变提升过程中机构的 8 DEGL 9-19-1f005 0 0 0 运动学特性和提升高度：增加滚子半径可以使滚子 与立臂接触的综合曲率半径增大，改变接触状况，减 9-F -1 0-1 2 2 少碰撞及提高接触强度；便于自调结构设计.经虚 注：“负”数表示运动副所具有的自由度：“正”数表示所需的自由 拟样机反复分析，滚子的半径由原来的60mm优化 度（或过约束）；P:表示级别为i的运动副数量；k表示机构运动 为80mm. 链的回路数：f表示运动副自由度：ATBC、CLKF、DEGL分别表 (2)驱动参数的控制，液压缸的驱动参数（包 示机构的回路：带“，”的表示该运动副分析时只在一个回路出现： 括行程及位移规律等)，对堵渣机的工作性能，特别 q表示机构的过约束：F为机构的自由度 是对提升高度及系统工作的稳定性，有着显著的 由分析可见，在ATBC主动回路中，除具有一 影响 个移动的全局自由度外，缺损f,及f:两个空间自 通过虚拟样机的优化，液压缸驱动参数如下， 由度，即过约束；而在摆杆滚子回路CLKF中，滚子 下降过程：先以100mms-2的加速度，加速运 具有一个局部自由度：，这是必须且有益无害的， 行1s,移动距离为50mm,然后以100mms1的速 只缺损一个∫x自由度，当滚子铰链K或摆杆铰链 度匀速行驶；油缸总行程为600mm,总耗时为6.5s. F轴线存在方位误差时，该过约束x将造成滚子与 上升过程：先加速，再匀速，最后减速；加速和减 摆杆在接触线长度方向的局部接触和轴线接触应力 速的加速度数值均为100mms2,时间为1s,移动 的不均匀分布，而在DEGL回路中存在三个空间 距离均为50mm;匀速段的速度为100ms;油缸 过约束，即缺损三个空间自由度，是对误差最敏感的 总行程为600mm,总耗时为7s, 回路 而原机的驱动参数上升、下降均以200ms的 按照同样的方法分析可知，在平移和调整阶段 速度匀速驱动3s,总行程为600mm, 各存在五个空间过约束；而在闭锁阶段则存在九个 (3)滚子与立臂及机架封闭力的优化设计，滚 空间过约束；除闭锁阶段的CDW回路中的三个fx、 子与立臂跟随性的好坏很大程度上决定了机构的稳 、向转动过约束有助于堵头形成内力加压方 定性、运动的顺畅性及机构的动力学性能，其主要取 式，并长时间实现可靠堵塞之外，其余过约束的存 决于滚子、立臂、重锤系统的惯性质量参数，根据实 在，在运动副元素存在误差以及受堵渣机工作环境 际需要，通过虚拟样机进行优化设计：①短连架杆 的影响时，必将严重影响机构运动的顺畅性与自适 与重锤臂的夹角，由原来的90°优化为104.5°：②重 应性能 锤的重量也是提高跟随性的一个比较关键的因素， 经优化重锤臂长由原来350mm优化为450mm,同 2堵渣机的优化及自调结构设计 时重锤质量由原来的48kg优化为95.4kg· 2.1堵渣机运动学尺寸参数的优化 还进行了堵头封闭稳定性的优化设计等项目的 为保证堵头轨迹有足够的直线度以及提升高 优化，并将挡块与水平线的夹角B由56°改为50°.响将更加突出．因此分析堵渣机的过约束数量、分 布和配置进行自调结构设计显得尤其重要． 现采用详细公式与回路自由度法［5—7］对升降 阶段进行过约束分析其结果如表1所示． 表1 堵渣机升降阶段过约束分析 Table1 Analysis of overconstraint for a stopper in lift phase 注：“负”数表示运动副所具有的自由度；“正”数表示所需的自由 度（或过约束）；Pi 表示级别为 i 的运动副数量；k 表示机构运动 链的回路数；f 表示运动副自由度；ATBC、CL KF、DEGL 分别表 示机构的回路；带“·”的表示该运动副分析时只在一个回路出现； q 表示机构的过约束；F 为机构的自由度． 由分析可见在 A TBC 主动回路中除具有一 个移动的全局自由度外缺损 f″y 及 f′z 两个空间自 由度即过约束；而在摆杆滚子回路 CL KF 中滚子 具有一个局部自由度 f″z这是必须且有益无害的 只缺损一个 f″x 自由度当滚子铰链 K 或摆杆铰链 F 轴线存在方位误差时该过约束 f″x 将造成滚子与 摆杆在接触线长度方向的局部接触和轴线接触应力 的不均匀分布．而在 DEGL 回路中存在三个空间 过约束即缺损三个空间自由度是对误差最敏感的 回路． 按照同样的方法分析可知在平移和调整阶段 各存在五个空间过约束；而在闭锁阶段则存在九个 空间过约束；除闭锁阶段的 CDW 回路中的三个 f″x、 f″y、f″z 向转动过约束有助于堵头形成内力加压方 式并长时间实现可靠堵塞之外其余过约束的存 在在运动副元素存在误差以及受堵渣机工作环境 的影响时必将严重影响机构运动的顺畅性与自适 应性能． 2 堵渣机的优化及自调结构设计 2∙1 堵渣机运动学尺寸参数的优化 为保证堵头轨迹有足够的直线度以及提升高 度采用位移矩阵法按堵头运动轨迹的精确点建立 了轨 迹 综 合 方 程［8—9］对 平 移 阶 段 的 四 杆 机 构 CDEG 进行了连杆轨迹的综合与优化得到了堵渣 状态下 C、D、E、G 点位置的一组优化值Cx、Cy 分 别表示 C 点的 x、y 坐标值其他等同单位为 m 即：Cx＝0Cy＝0；Gx＝0∙507Gy＝—0∙081；Ex＝ 0∙447Ey＝—1∙889；Dx＝—0∙070Dy＝—1∙984． 而原来的参数为：Cx＝0Cy＝0；Gx＝0∙494Gy＝ —0∙087；Ex＝0∙432Ey＝—1∙840；Dx＝—0∙068 Dy＝—1∙960． 2∙2 堵渣机传力及动力学参数的优化设计 利用 ADAMS 强大的动力学分析功能通过逐 渐改变相关参数进行搜索来求得较优的解［13］． （1） 滚子尺寸的优化设计．滚子半径的改进主 要考虑：增加滚子半径可能改变提升过程中机构的 运动学特性和提升高度；增加滚子半径可以使滚子 与立臂接触的综合曲率半径增大改变接触状况减 少碰撞及提高接触强度；便于自调结构设计．经虚 拟样机反复分析滚子的半径由原来的60mm 优化 为80mm． （2） 驱动参数的控制．液压缸的驱动参数（包 括行程及位移规律等）对堵渣机的工作性能特别 是对提升高度及系统工作的稳定性有着显著的 影响． 通过虚拟样机的优化液压缸驱动参数如下． 下降过程：先以100mm·s —2的加速度加速运 行1s移动距离为50mm然后以100mm·s —1的速 度匀速行驶；油缸总行程为600mm总耗时为6∙5s． 上升过程：先加速再匀速最后减速；加速和减 速的加速度数值均为100mm·s —2时间为1s移动 距离均为50mm；匀速段的速度为100m·s —1 ；油缸 总行程为600mm总耗时为7s． 而原机的驱动参数上升、下降均以200m·s —1的 速度匀速驱动3s总行程为600mm． （3） 滚子与立臂及机架封闭力的优化设计．滚 子与立臂跟随性的好坏很大程度上决定了机构的稳 定性、运动的顺畅性及机构的动力学性能其主要取 决于滚子、立臂、重锤系统的惯性质量参数．根据实 际需要通过虚拟样机进行优化设计：① 短连架杆 与重锤臂的夹角由原来的90°优化为104∙5°；② 重 锤的重量也是提高跟随性的一个比较关键的因素 经优化重锤臂长由原来350mm 优化为450mm同 时重锤质量由原来的48kg 优化为95∙4kg． 还进行了堵头封闭稳定性的优化设计等项目的 优化并将挡块与水平线的夹角 β由56°改为50°． 第4期 罗金良等： 高炉堵渣机的结构分析与优化设计 ·427·