.426 北京科技大学学报 第30卷 能每次都能正好对准炉体上的渣口.为了能自动适 构具有自适应功能的保障 应这一变化，保证堵头能顺利进入渣口，在渣口处特 (4)闭锁阶段，即堵头堵住渣口处于静止的阶 设置一个入口较大的引导锥面，当渣口位置出现偏 段，当堵头进入渣口后，必然会承受来自炉渣及铁 差时，堵头将先与该锥面接触，在驱动力作用下，将 水的巨大反力，堵头在液压缸推力作用下可靠地“静 形成一个垂直方向的分力1作用于W处，使堵渣 止”，整个系统成为“内力封闭”的静定甚至超静定的 杆有绕D点产生弯曲变形的趋势，为避免过大的 “桁架结构”，这时重锤一摆杆一滚子系统与机架必须 弹性变形，特设置了一个有条件出现的摆杆GF绕 形成可靠的高副接触，其工作图可简化如图2(d)所 F点转动的自适应自由度.当堵渣杆上的分力传至 示的内力封闭的加压装置.图中P为驱动力，R为 G形成对点的转矩大于重锤封闭力矩时，迫使摆杆 铁水反力， 转动，滚子与机架间的高副将被释放，使系统成了一 1.2堵渣机的运动学、动力学性能分析 个二自由度的七杆双回路链，并补充调整堵渣杆的 本文利用ADAMS软件[2一]对堵渣机的工作性 位姿，使堵头进入并堵住渣口，如图2(c)所示.此 能进行了仿真分析，其主要的几项性能如图3. 时，重锤一摆杆一滚子系统中的高副的可释放性是机 (1)堵头的位移分析·图3(a)中，Sx、S,分别 0.5 0.5 -0.5 05 -1.5 -1.5 -2.5005101$202530 3.5 200 0.51.01.52.02.53.03.5 时间s 时间s 10⊙ 25d 0.5 2.0 1.5 0 o -0.5 0.5 -1.0051.0152.0253.03.5 060.5 1.01.52.02.53.03.5 时间s 时间s 图3仿真分析结果.(a)堵头位移：（凸）堵头速度；(c)滚子与立臂的接触力；(d)滚子与挡块的接触力 Fig.3 Simulation result:(a)displacement of the jam-head:(b)speed graph of the jam-head:(c)stress of the roller contacted with the erect arm; (d)stress of the roller contacted with the baffle 为堵头X和Y方向的位移分量，其中S,曲线在后 副约束的稳定，并最终影响堵渣机工作的稳定性， 阶段比较平直，基本符合进入渣口段的堵渣要求 (4)滚子与挡块的接触力分析.滚子与挡块有 然而，在正常要求S,的变化值△S,保持在士1mm 比较大的冲击性，但总体接触状况良好， 范围内时，其直线段，即Sx的对应长度较小，只有 总之，从堵渣机的性能分析中可以看出，现有堵 47mm;其位移Sv,即提升高度只有1631.45mm,不 渣机的确存在着许多不足之处，如直线长度与提升 能很好满足工作要求 高度不够，高副接触封闭不稳定；特别是滚子与立臂 (②)堵头的速度分析.图3(b)中，ux、y分别 不接触，将使机构在变结构中呈现不确定的状态，堵 为堵头X和Y轴方向的速度.从图中可以看出，虽 渣机工作不稳定，因此，必须加以改进与优化，以保 然在进入渣口阶段堵头x比较大，符合快速堵渣 证其工作的可靠性， 的要求，然而，有很明显的波动，进一步说明了其 1.3堵渣机的过约束分析 运动轨迹的直线度不高，有颤动现象 平面机构中普遍存在着过约束.由于不可避免 (3)滚子与立臂的接触力分析.从图3(c)中可 的制造误差及各种原因所引起的变形等，都将破坏 以看出，由于系统惯性及封闭力的影响，滚子与立臂 “平面约束”的条件，而导致出现某些非平面约束，使 的接触力为零，说明两者根本没有接触，滚子与立臂 理论上不起作用的过约束成为“实约束”，从而造成 的跟随状况差，并增加了随后滚子与挡块的弹性碰 机械系统运动的顺畅性及动力学性能恶化的有害影 撞，这将严重影响重锤一滚子摆杆系统与立臂间高 响].特别是堵渣机的工作环境非常恶劣，其影能每次都能正好对准炉体上的渣口．为了能自动适 应这一变化‚保证堵头能顺利进入渣口‚在渣口处特 设置一个入口较大的引导锥面．当渣口位置出现偏 差时‚堵头将先与该锥面接触．在驱动力作用下‚将 形成一个垂直方向的分力 R1 作用于 W 处‚使堵渣 杆有绕 D 点产生弯曲变形的趋势．为避免过大的 弹性变形‚特设置了一个有条件出现的摆杆 GF 绕 F 点转动的自适应自由度．当堵渣杆上的分力传至 G 形成对点的转矩大于重锤封闭力矩时‚迫使摆杆 转动‚滚子与机架间的高副将被释放‚使系统成了一 个二自由度的七杆双回路链‚并补充调整堵渣杆的 位姿‚使堵头进入并堵住渣口‚如图2（c）所示．此 时‚重锤—摆杆—滚子系统中的高副的可释放性是机 构具有自适应功能的保障． （4） 闭锁阶段‚即堵头堵住渣口处于静止的阶 段．当堵头进入渣口后‚必然会承受来自炉渣及铁 水的巨大反力‚堵头在液压缸推力作用下可靠地“静 止”‚整个系统成为“内力封闭”的静定甚至超静定的 “桁架结构”‚这时重锤—摆杆—滚子系统与机架必须 形成可靠的高副接触‚其工作图可简化如图2（d）所 示的内力封闭的加压装置．图中 P 为驱动力‚R 为 铁水反力． 1∙2 堵渣机的运动学、动力学性能分析 本文利用 ADAMS 软件［2—3］对堵渣机的工作性 能进行了仿真分析‚其主要的几项性能如图3． （1）堵头的位移分析．图3（a）中‚Sx 、Sy 分别 图3 仿真分析结果．（a） 堵头位移；（b） 堵头速度；（c） 滚子与立臂的接触力；（d） 滚子与挡块的接触力 Fig．3 Simulation result：（a） displacement of the jam-head；（b） speed graph of the jam-head；（c） stress of the roller contacted with the erect arm； （d） stress of the roller contacted with the baffle 为堵头 X 和 Y 方向的位移分量‚其中 Sy 曲线在后 阶段比较平直‚基本符合进入渣口段的堵渣要求． 然而‚在正常要求 Sy 的变化值ΔSy 保持在±1mm 范围内时‚其直线段‚即 Sx 的对应长度较小‚只有 47mm；其位移 Sy‚即提升高度只有1631∙45mm‚不 能很好满足工作要求． （2） 堵头的速度分析．图3（b）中‚v x、v y 分别 为堵头 X 和 Y 轴方向的速度．从图中可以看出‚虽 然在进入渣口阶段堵头 v x 比较大‚符合快速堵渣 的要求‚然而 v y 有很明显的波动‚进一步说明了其 运动轨迹的直线度不高‚有颤动现象． （3） 滚子与立臂的接触力分析．从图3（c）中可 以看出‚由于系统惯性及封闭力的影响‚滚子与立臂 的接触力为零‚说明两者根本没有接触‚滚子与立臂 的跟随状况差‚并增加了随后滚子与挡块的弹性碰 撞‚这将严重影响重锤—滚子—摆杆系统与立臂间高 副约束的稳定‚并最终影响堵渣机工作的稳定性． （4） 滚子与挡块的接触力分析．滚子与挡块有 比较大的冲击性‚但总体接触状况良好． 总之‚从堵渣机的性能分析中可以看出‚现有堵 渣机的确存在着许多不足之处‚如直线长度与提升 高度不够‚高副接触封闭不稳定；特别是滚子与立臂 不接触‚将使机构在变结构中呈现不确定的状态‚堵 渣机工作不稳定．因此‚必须加以改进与优化‚以保 证其工作的可靠性． 1∙3 堵渣机的过约束分析 平面机构中普遍存在着过约束．由于不可避免 的制造误差及各种原因所引起的变形等‚都将破坏 “平面约束”的条件‚而导致出现某些非平面约束‚使 理论上不起作用的过约束成为“实约束”‚从而造成 机械系统运动的顺畅性及动力学性能恶化的有害影 响［4—5］．特别是堵渣机的工作环境非常恶劣‚其影 ·426· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷