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新型液压开铁口机设计和分析(本科生毕业设计)

新型液压开铁口机设计和分析(本科生毕业设计)


北京科技大学本科生毕业设计(论文)





开铁口机,是炼铁厂的一种常用设备。其功能是打开出铁口使铁水顺利流出,因此 是高炉的主要炉前设备之一。它的可靠性和使用性能直接关系到高炉炼铁的生产效率。 由于近年来高炉的大型化,因此对开铁口机的要求也不断提高。目前国产开铁口机主要 针对中小型高炉,但在超大型高炉(5000m3 以上)上的发展还比较缓慢。本文主要提 出了一种面向超大型高炉的全液压型开铁口机的设计与研发,本文的重点是旋转机构的 设计与分析。并针对这一问题做了以下的一些工作: (1)查阅资料,分析总结完成开铁口机的主体设计和参数选择; (2)绘制工程图纸,完成开铁口机的三维建模; (3)对关键零件进行强度校核; (4)利用虚拟样机技术,使用 ADAMS 软件实现了开铁口机旋转机构的动力学仿真 与分析。 (5)系统的分析了转臂重心的速度、加速度以及各铰链点的受力情况,揭示了不 同情况下个性能指标的变化情况。 本文通过这种设计与仿真相结合的方法,来完成这种开铁口机的开发与设计。这种 研究方法可以为以后的设计提供参考,并且从中得出的结论能为以后的研究提供一些理 论基础。

关键词:开铁口机

设计

虚拟样机 仿真

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Development and design of new hydraulic tap-hole drill—— design and analysis of rotating body
Abstract
The tap-hole drill is a common device in the ironworks. Its function is to drill a hole in wall of blast furnace to make molten iron to pour out. Its reliability and utility is directly related to the production efficiency of blast furnace ironmaking. Because of large-scale blast furnaces in recent years, the tap-hole drill is constantly required to improve. Domestic tap-hole drill is mainly fit for small and medium-sized blast furnace, but is still relatively slow development of a very large blast furnace (5000m3 above). This article presented the design and development of full hydraulic tap-hole drill for very large blast furnace. The focus is the design and analysis of rotating body. And do following some of the work to solve this problem: (1)Access to information, summarize to complete the tap-hole drill the main design and parameter selection; (2)Draw engineering drawings, complete the three-dimensional modeling of the taphole drill; (3) Strength check of the key parts; (4)Use of virtual prototyping technology, and use ADAMS software to complete the rotating body of tap-hole drill dynamic simulation and analysis; (5)Analyse systematically the velocity and acceleration of the transfer arm center of gravity, and the force of the hinge point. Reveal the charges of the performance indexes under different circumstances. In this paper, combine the design and simulation method, to complete the development and design of this tap-hole drill. This research method can provide a reference for future design, and the conclusions drawn from it can provide some theoretical basis for future research.

Key Words:Tap-hole Drill

Design

Virtual Prototyping

Simulation

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目录
摘 要 .................................................................................................................................. 1 Abstract.................................................................................................................................... 2 引 言 .................................................................................................................................. 1

1 文献综述 ............................................................................................................................... 2 1.1 开铁口机 .................................................................................................................... 2 1.1.1 开铁口机简介及开铁口方法 ........................................................................ 2 1.1.2 开铁口机的类型及结构................................................................................. 3 1.1.3 国内、国外开铁口机的发展 ........................................................................ 6 1.2 建模也仿真软件简介.............................................................................................. 10 1.2.1Pro/ENGINEER 简介 .................................................................................... 10 1.2.2ADAMS 软件简介......................................................................................... 11 1.2.3Mech/pro 接口简介........................................................................................ 12 1.3 课题的背景及意义.................................................................................................. 13 1.3.1 课题背景........................................................................................................ 13 1.3.2 课题意义........................................................................................................ 14 2 总体设计方案及参数选择 ................................................................................................ 16 2.1 总体方案的确定 ...................................................................................................... 16 2.1.1 实现功能的几种方案 ................................................................................... 16 2.1.2 几种方案的对比 ........................................................................................... 17 2.2 开铁口机旋转机构的机构分析 ............................................................................. 19 2.2.1 机构的工作原理 ........................................................................................... 20 2.2.2 机构杆组分析 ............................................................................................... 20 2.2 参数的确定 .............................................................................................................. 21

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2.2.1 立柱与转臂的确定 ....................................................................................... 21 2.2.2U 形杆的设计................................................................................................. 22 2.2.3 底座的设计.................................................................................................... 23 2.2.4 主要轴承的选择 ........................................................................................... 23 2.2.5 油缸的选择.................................................................................................... 24 2.2.6 其余零件的选择 ........................................................................................... 30 2.3 机构的运动学分析.................................................................................................. 30 2.4 小结........................................................................................................................... 32 3Pro/Engineer 三维建模 ....................................................................................................... 33 3.1 建模过程 .................................................................................................................. 33 3.2 小结........................................................................................................................... 38 4 强度校核 ............................................................................................................................. 39 4.1 强度校核 .................................................................................................................. 39 4.2 小结........................................................................................................................... 42 5ADAMS 仿真分析 .............................................................................................................. 43 5.1Pro/Engineer 模型的简化 ........................................................................................ 43 5.2 利用 Mech/pro 实现 Pro/Engineer 与 ADAMS 的连接 ...................................... 43 5.3ADAMS 中仿真分析 ............................................................................................... 44 5.3.1 添加约束及运动激励 ................................................................................... 44 5.3.2 仿真设置与仿真 ........................................................................................... 45 5.3.3 仿真结果........................................................................................................ 45 5.3.4 仿真结果的验证与分析............................................................................... 50 5.4 小结........................................................................................................................... 51 结 论 ................................................................................................................................ 52

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参 考 文 献 .......................................................................................................................... 53 附 录....................................................................................................................................... 55 在 学 取 得 成 果 .............................................................................................................. 56 致 谢 ................................................................................................................................ 57

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本文研究的主要内容是“新型液压开铁口机的开发设计------旋转机构的设计与分 析”。随近年来我国钢铁行业的迅猛发展,以及高炉大型化的背景下,生产出与之适应 的炉前设备就尤为重要。近年来,国内外的专家和工程技术人员针对炉前关键设备之一 的开铁口机做了大量工作,并取得了许多成果。但目前,我国的超大型高炉所使用的几 乎都是进口的开铁口机,其性能发面十分优秀,不足之处就是进口设备造价昂贵,一次 性投入过高。因此我们就需要提高自主创新意识,开发研究出自己的品牌,能够与国外 的知名品牌想媲美,使我国的钢铁行业快速发展。 本文主要目的是针对开铁口机旋转机构的设计,借助 Pro/ENGINEER 的三维建模功 能之后,基于 Pro/ENGINEER 和 MECH/Pro 实现 ADAMS 中复杂导入模型的参数化。 这样我们可以实现 Pro/ENGINEER 和 ADAMS 的无缝连接,可以在建模功能强大的 Pro/ENGINEER 中实现三维建模和装配之后,通过接口软件 MECH/Pro 直接在 Pro/ENGINEER 的环境下添加能够在 ADAMS 中识别的约束,完成连接之后就可以在 ADAMS 中实现仿真,这样可以方便的实现设计和仿真的一体化。省去了建模之后又要 重新的在 ADAMS 中建立模型的过程,可以加快设计的速度,减少设计的时间。 总之,设计需要掌握科学的方法,这样一来就可以省去很多不必要的时间。其实 Pro/ENGINEER 和 ADAMS 有很多种接口组合,但最完美的组合是 Pro/ENGINEER3.0 和 ADAMS2005 通过接口软件 MECH/Pro2005 的无缝连接,无论是在约束,质量,材 料等方面都能很好的结合。本文正是用了这一组合实现液压开铁口机旋转机构的设计分 析的。

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1 文献综述
1.1 开铁口机 1.1.1 开铁口机简介及开铁口方法 开铁口机是高炉炉前的主要设备之一,如下图 1.1 是一种转臂式开铁口机,它是专 门用来打开出铁口使铁水顺利流出的铁口。对开铁口机的功能有下列要求[1]: (1)开出的孔道是具有一定倾斜角的直线孔道,其倾角应能根据高炉在各个时期 炉缸的侵蚀情况,在一定范围内调解。 (2)打开出铁口时,覆盖在出铁口区域炉缸内壁上的耐火泥层不应被破坏。 (3)打开出铁口的全部操作应机械化,并能远距离操作; (4)为不妨碍炉前各种操作的顺利进行,开铁口机的结构应尽量紧凑,外形尺寸 应尽量小。

图 1.1 开铁口机 目前国内外采用的打开出铁口的方法主要有以下四种[2]: (1)用单独钻孔机钻出孔道,钻到炽热的硬层时,退回开铁口机,用人力或气锤 捅开出铁口孔道中剩下的硬层。

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(2)用机械化方法送进钻孔机(安装在开铁口机的钻冲机构上),一直钻进到完 全打开出铁口,然后将开铁口机迅速退离出铁口。 (3)用具有双杆的开铁口机或可以换杆的开铁口机,先用一钻孔杆钻到炽热层, 然后用第二根杆(捅杆)将硬层捅开。 (4)埋钎法。泥炮堵塞出铁口后,使泥炮在堵口位置停留一段时间(40~60min), 然后转离出铁口,立即用开口机钻头钻到一定的深度,退出钻机,卸下钻杆,换上捅杆 (5m 长左右的钢钎)。将钢钎打入出铁口,并将钢钎留在出铁口孔道内。待下次出铁 时,用开口机拔出钢钎,即可实现打开出铁口。 1.1.2 开铁口机的类型及结构 开铁口机按动力源可分为电动式、气动式、液动式等几种类型。 1.1.2.1 电动式开铁口机 电动式开口机由回转、推进和钻孔这三个机构组成。回转机构包括电动机、减速器、 卷筒、牵引钢丝绳和横梁,横梁的一端用旋转轴固定在热风围管上。开铁口前,以铁口 为圆心旋转到铁口位置并对准铁口中心线,钻进到红点后,退回钻杆,回转到铁口的一 侧。 推进机构由电动机、减速机、卷筒牵引钢丝绳及滑动小车组成,其主要作用是使钻 杆前后往复运动。 钻杆机构由电动机、减速机、钻杆及钻头组成,钻机本体通过可调吊杆悬在小车上, 钻杆安装在减速机的输出轴上,能随时拆装,在开铁口时带动钻头旋转[3]。 电动开铁口机的特点: 设备故障率较高,维护工作量。开口角度自锁能力差。设备本体自我保护能力差。 开铁口所需时间较长,操作工人劳动强度大。电动开铁口机的钻杆悬挂在简易钢梁上, 一般靠人工对位,钻机的进退由电动卷扬通过钢丝绳牵引,钻出的出铁口孔道是一条弓 形的倾斜孔道。电动开铁口机的悬挂电缆容易烧损,整体结构强度和刚度较差,不适用 于无水高强度炮泥。 其中前苏联的全电动开铁口机(如下图 1.2 所示),该开铁口机用于武钢的 3 号高 炉,它和泥炮分别布置在出铁口的两侧,并布置在风口平台的下面。

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图 1.2 苏制全电动开铁口机 1.1.2.2 气动式开铁口机 气动开铁口机包括了工作机构、倾动(或摆动)机构、控制系统三部分[4]。而工作机 构由机架、冲击回转开铁口机、行走气动马达、链轮机构等部分组合而成。冲击回转开 铁口机的送进和退出由行走马达通过链条传动实现。倾动机构由卷扬机构、滑轮钢丝绳 组成,实现工作机构由工作位置沿销轴向上折叠。控制系统由调压阀、气动控制阀、压 力表等组成,控制气体的压力、流向等因素。 气动开铁口机有以下一些特点:(1)具有冲打、吹扫功能,而且钻削、冲打能量 大,排屑容易,钻孔时间较短[5]。(2)开口角度自锁性较好,工作可靠,送进方向与 钻杆角度一致,轨梁前端安装有导向轮,钻杆摆动小,出铁口圆柱度误差小,不易发生 钻孔偏心事故[6]。(3)设备自我保护能力较强,对环境污染小。

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图 1.3 日制全气动开铁口机 1.1.2.3 液压式开铁口机 液压开铁口机的结构液压开铁口机由钻冲小车、送进机构、旋转机构、液压站等组 成[7]。钻冲小车上装有液压钻机,摆线液压马达和冲击马达使钻杆旋转,冲击器使钻杆 产生高频直线冲打,它们由各自的手动换向阀操纵,单独供应压力油,钻削和冲打可以 同时进行,也可以分别进行。开铁口机的送进由送进液压马达通过链条牵引,调节液压 马达的供油流量,实现钻冲小车的慢进和快退。开铁口机的旋转由活塞式油缸推动连杆 机构实现,安装在过渡斜底座上,过渡斜底座的上表面在沿主铁沟方向和垂直于主铁沟 方向分别有一定的倾角,保持轨梁在旋转至开铁口位置时保持一定的开口角度[8]。 液压开铁口机的特点: (1)采用具有钻削和冲打双作用的液压钻机,介质工作压力高,钻削、冲打能量大。 (2)采用过渡斜底座,节省了轨梁摆动机构,结构紧凑、轻便。 (3)液压缸保压方便,开口角度自锁能力强。 (4)设备动作灵敏,退出速度快,自我保护能力。

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图 1.4 矮身式全液压开铁口机 1.1.3 国内、国外开铁口机的发展 1.1.3.1 国外开口机发展综述 开铁口机按其结构形式可分为 6 种:吊挂式、框架式、斜座式、高架立柱式、矮座 式、折叠式;按其钻削原理可分为 4 种:单冲式、单钻式、冲钻联合式、正反冲钻联合 式; 上个世纪世界主流的开口机有[9]:日本冈崎工业株式会社的框架式、日本东洋工业 公司的吊挂式、德国 DDS 公司的立柱高架式、美国乔伊公司开铁口机、美国威廉?贝利 公司开铁口机, 乌拉尔重型机械厂 72TM 开铁口机, 卢森堡 PW 公司。 日本东洋工业公司吊挂式开铁口机由调节连杆与吊杆吊挂在围管下方的摆动梁上。 其结构为热风围管下有两轨梁,行走电机沿轨梁左右摆动 30 度-55 度,摆动梁上设一卷 扬机,以完成行走梁(轨道)提升降落。与摆动粱连接的有涮节连杆、吊杆、行走梁,行 走梁降落到开口角度后,压紧气缸将人字形连杆锁紧,控制行走梁收缩。钻削机构。开 口机为冲钻联合式,冲击振打次数为 400-500 次/min。非工作状态时不占用地面空间。 由于打开铁口后能迅速回到设定位置.减少了铁水喷溅和热辐射威胁。 其中 DDS 公司生产的开铁口机大部分为立柱式结构。体积高大,泥炮在转臂下方, 开铁口机和泥炮一般布置在出铁口同一侧。开铁口机主要由振打机构、进给机构、倾动 机构和立柱式转臂机构组成。振打机构具有钻削、冲击两个功能,冲击为钻削开凿,钻 削为冲击切削平面,由空压站提供 0.5-0.8 MPa 压缩空气驱动,钻削与冲击可分开执行, 也可联合执行,选配有逆打机构(逆打机构足为拔棒使用的)。倾动机构是由一压下油缸

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完成的,其铁口角度是通过调整杆完成的。旋转机构由立柱、主臂、副臂、提升调整轴、 转动油缸组成。

图 1.5 德国 DDS 开铁口机 其中以上开铁口机大部分都是采用液压驱动大臂,液压系统工作压力高,可压缩性 小,运行平稳,功率大,可以防止在开铁口过程中转臂的后移,保证整机系统工作的稳 定性和准确性。开口机的钻削机构和行走机构均采用气动式,气动开口机体积小、功率 大、消耗低、安全性好,介质为压缩空气,为一次性使用。气动方式可以实现冲打动作, 得到了较广泛的应用,但气动系统要求有专门的动力源。而液压开口机的介质液压油为 循环使用。且与泥炮使用同一液压站,存在如下弊端:①开口机拆卸过程中形成开路, 造成污染,不能保证液压油的质量。②不利于开口机工作状态下较好地冷却。③由于液 压油循环频率快、压力高,油温迅速升高,容易使旋转接头处、开口机部件连接处、密 封带处外泄。因此,在世界 20 多个国家 127 座高炉使用液压转臂气动开口机[8]。 1.1.3.2 国内开口机发展综述 在二十世纪 80 年代之前,我国高炉大量使用 50 年代设计的悬挂式电动式开铁口机。 随着国内钢铁行业的发展,我国不断引进国外先进的开铁口机[10],同时进行自主化研发, 在消化吸收之上,进行了大量创新方面的工作[11]。

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80 年代末,我国引进了国外一些性能较好的先进开铁口机。湘钢引进了德国 DDS 公司的第一代全气动开铁口机用于 3 号高炉的生产,该开铁口机采用矮柱双轨式,在性 能方面具有冲打功能和吹扫功能,开口效率比电动开铁口机明显提高,广泛应用于国内 1000m3 以上高炉。 90 年代初,包钢、鞍钢、武钢、上钢等企业的一大批高炉开始使用 PW 公司、 DDS 公司的液压转臂气动开口机,这使得我国的开口机进入了现代化阶段。1998 年, 昆钢使用了 DDS 公司三代开口机(CHQ2000L),其性能更进一步提高。二十世纪末, DDS 公司与 PW 公司重组,组建 TMT 公司,二十一世纪初,该公司生产的 HS573-GH 型全液压开铁口机开始引入我国,这一新技术的应用对提高我国炉前设备自动化水平起 到了积极的推动作用[12]。2008 年,天钢 3200m3,高炉选用的 TMT 立柱式全液压式开 铁口机,并配以摇控操作模式,有利于炉前泥炮、揭盖机的配置及工艺布置,具有技术 领先、运行平稳、性能可靠、节能环保、操作便利、功率大等诸多优势,因此,在 4000m3 级以上的高炉上大多采用这种形式,是目前世界上最先进的开铁口机之一,是 高炉炉前设备的发展方向。不足之处就是进口设备造价昂贵,一次性投入过高,但目前 在国内已有厂家可以制造,并在宝钢开始应用,效果良好[13]。2010 年,宝钢 1 号高炉 配备 4 台全液压式开铁口机,由宜昌市燕狮科技开发有限责任公司制造,并成功的应用, 开创了我国大型高炉国产化大功率,低消耗,高精度的先河[14]。

图 1.6 宝钢 1 号高炉开口机主体部分机构组成

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现在我国的一些设计院和公司一直致力于研发与我国炉况相适应的开口机,其中一 部分是气-液复合传动式开口机,另一部分是全液压式开口机。其集中特点是功率大, 开口效率高,具有正向和逆向冲动功能,使我国的开口机发展进一步提高。另外,目前 国内绝大多数高炉均已采用全液压矮身泥炮堵塞出铁口,选用全液压开铁口机可以与泥 炮共用液压泵站。因此,全液压开铁口机将替代其它各种开铁口机。 其中由北京科技大学自主研究开发的全液压开铁口机—KD 型全液压开铁口机是其 中非常优秀的产品。KD 型转臂折叠式全液压开铁口机的结构紧凑、工作可靠以及和液 压泥炮合理配合等优点,很快为用户所接受。产品一经问世就得到了迅速推广,目前已 经在国内 300m3-2500 m3 几十座高炉上普遍推广使用,成为高炉炉前设备的主流产品
[15][16]



图 1.7 KD 型全液压开铁口机结构简图 钻冲小车;2—送进机构;3—旋转机构;4—油马达;5—轨梁;6—挡块;7—转臂; 8—旋转油缸;9—四杆机构;10—过渡斜底座

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1.2 建模也仿真软件简介 1.2.1Pro/ENGINEER 简介 Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化 的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称,是参数化技术的最早应用者,在目前的 三维造型软件领域中占有着重要地位,Pro/Engineer 作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一,特 别是在国内产品设计领域占据重要位置。 PTC 公司率先在机械电子行业的计算机辅助设计系统中提出了参数化的概念,成功 地开发了以参数化为基础,以三维造型为设计模式的 Pro/ENGINEER 系统,改变了传统 的设计观念,带动了整个行业的发展。参数化的设计模式,不仅能够清楚地表达设计对 象的几何尺寸,而且具有实际的物理意义。 1.三维实体造型 三维实体造型可以将使用者的设计概念,以最真实的模型在计算机上呈现出来,随 时计算出产品的体积、面积、质心、重量、惯性矩等属性,解决复杂产品之间的干涉, 提高效率,降低成本,便于设计人员与管理人员之间进行交流。它避免了传统二维下的 点、线、面设计的不足之处。三维实体模式设计形象、逼真、直观,而二维设计需要用 户进行空间想象。 2.以特征造型为基础 Pro/ENGINEER 是一个基于特征的实体建模工具,以特征作为组成模型的基本单元, 实体模型是通过特征完成设计的,即实体模型是特征的叠加 3.参数式设计 Pro/ENGINEER 是一个参数化的系统,根据参数创建设计模型,几何形状的大小都 由尺寸参数控制,用户在产品设计过程中使用的所有尺寸参数与物理参数都存在于单一 的数据库中,可以随时修改这些参数,并可对设计对象进行简单的分析,计算出模型的 体积、质量和惯性矩等。特征之间存在着相互依赖的关系,使得某一单独特征的修改, 会牵动其他特征的变更。用户还可以使用数学运算方式建立各特征的数学关系,使得计

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算机能自动计算出模型应有的形状和固定位置。通过设置特征参数关系式来保持特征的 位置,体现其参数化的特点。 4.单一的数据库,全相关性 Pro/ENGINEER 创建的三维模型可随时产生二维工程图,而且自动标注尺寸。它们 之间具有双向关联的特征,采用单一的数据管理。不论在 3D 或 2D 图形上做尺寸修改时, 其相关的 2D 图形或 3D 实体模型均自动修改,同时装配、制造等相关设计也会自动修改, 可确保资料的正确性,并避免反复修正的耗时性,确保工程数据的完整与设计修改的高 效。 5.系列化 Pro/ENGINEER 能够依据创建的原始模型,通过家族表改变模型组成对象的数量或 尺寸参数,建立系列化的模型,应用此系列化特点可以建立国家标准零件。 1.2.2ADAMS 软件简介 ADAMS,即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),该软件是美国 MSC 公司开发的虚拟样机分析软件,机械动力学仿真软件 ADAMS,它是虚拟样机技术的杰出代表[17]。虚拟样机技术是一种基于产品计算机仿真 模型的数字化设计方法,这些数字模型即虚拟样机(VP)支持并行工程方法学。虚拟 样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现,是基于先进的建模技术、 多领域仿真技术、信息处理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。 目前,虚拟样机技术得到广泛应用,设计汽车制造、工程制造、航空航天、造船、航海、 机械电子和通用机械等众多领域。 ADAMS 软件使用交互式图形环境及零件库、约束库和力库,创建完全参数化的机 械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系 统动力学方程,对虚拟机械系统的静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加 速度和反作用力曲线。ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰 撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件,用户可以运用该软件非常方便地对虚 拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析;另一方面,它又是虚拟样机分析开发工

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具,其开放性的程序结构和多种接口,可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分 析的二次开发工具平台。 ADAMS 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱 5 类模块 组成,用户不仅可以采用通用模块对一般机械系统进行仿真,而且可以采用专用模块针 对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。 ADAMS 软件的主要模块包括:用户界面模块(ADAMS/View),它是 ADAMS 系列 产品的核心模块之一,采用一用户为中心的交互式图形环境,经图标操作、菜单操作、 鼠标点击操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、x-y 曲线处理、结 果分析和数据打印等功能集成在一起;求解器模块(ADAMS/Slover),它是 ADAMS 系列 产品的核心模块之一,是 ADAMS 系列产品中处于心脏地位的仿真器,该模块自动形成 机械系统模型的动力学方程,提供静力学、运动学和动力学的解算结果;后处理模块 (ADAMS/PostProcessor),它是完成处理仿真结果数据和显示仿真动画等工作,它既可以 在 ADAMS/View 环境中运行,也可以脱离该环境独立进行。 ADAMS 软件具有强大的建模和分析功能[18][19],具有先进的数值分析技术和强有力 的求解器,求解速度快而准确;开放式结构[20] 允许用户集成自己的子程序,ADAMS 通过 FORTRAN 、C、C++等语言的程序与用户接口程序进行数据交换,并入 ADAMS 求解器,可从求解器中输出数据;快捷方便的图形界面 ADAMS/View 通过简 便的图标菜单功能,ADAMS/View 提供了一个直观、强有力的建模零件库和分析机械 系统模型的途径。 1.2.3Mech/pro 接口简介 Mech/Pro 是 MDI 公司开发的连接三维实体建模软件与机械系统动力学仿真分析软 件 ADAMS 的接口模块,二者采用无缝连接的方式即不需要退出 Pro/ENGINEER 应用 环境,就可以将装配完毕的总成根据其运动关系定义为机械系统模型,进行系统的运动 学或动力学仿真,并进行干涉检查、确定运动锁止的位置、计算约束副的作用力等等; 使用它还可以在 Pro/ENGINEER 中定义刚体和施加约束后,将模型传送到 AMAMS 中, 以便进行全面的动力学分析。

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使用 Mech/Pro 可以在 Pro/ENGINEER 环境下定义刚体和施加约束,并且可以利用 ADAMS 的求解器进行动力学仿真分析,因此它具有以下优点: 增加模型的仿真精度。因为 Mech/Pro 直接使用 Pro/ENGINEER 的三维实体模型, 因此它消除了由于模型在不同软件之间的传送带来的模型几何形状及质量特性的误差; 提高工作效率。由于 ADAMS 可以直接在 Pro/ENGINEER 环境下运行,因此不必 学习新的软件界面,就可以完成机械系统的运动学和动力学仿真分析、结果的处理以及 动画显示; 准确体会设计意图。在 MECHANISM/Pro 中创建物体之间的约束时,可以参考 Pro/ENGINEER 的零件特征(如:圆柱的中心线、圆心、顶点等等),这一方面可以加快 机械系统模型的创建,另一方面可以更好地体会设计意图,增加约束的准确性; 削减设计费用。使用 ADAMS 设计产品,在制造物理样机之前可以多次在计算机上 改进设计,纠正设计失误,缩短产品的开发周期,减少制造物理样机的费用。 1.3 课题的背景及意义 1.3.1 课题背景 进入 2l 世纪,国内高炉开始向大型化和特大型化方向发展,在高炉操作中,炉前 设备面临着比较突出的问题,即现有各机型开口机在功能与功率方面满足不了开铁口工 艺要求,尤其是 2000m3 等级以上的高炉,冶炼强度高、铁口深,采用高强度无水炮泥 堵铁口,炮泥在铁口中烧结时间长,且变素很大,造成开口困难;铁口孔道不规则;出 铁时间难以控制影响炉内操作,铁口深度不稳定且难维护等,集中反映八个问题[12]: (1)打开出铁口时间长 10min~30min;(2)钻杆消耗大约 3~5 根/炉;(3)出铁口侵蚀 快;(4)正点率较差 67%;(5)铁口合格率较差 51%;(6)泥炮的打泥量不稳;(7)铁 口维护量较大;(8)开铁口退钻困难。另外大型高炉的理想考核指标有如下几点:(1) 单炉 24h 无并行出铁;(2)单炉 24h 出铁次数为 6 次;(3)出铁见渣率为 100%;(4) 铁口合格率为 90%以上;(5)正点率、铁口深度合格率达 90%以上。 目前,开铁口机采用气动可以较方便地实现冲打动作,所以气动开铁口机在国外得 到了较广泛的应用。但是,气动要求有专门的动力源,以确保进入开铁口机的气压不低 于 0.5MPa,而且是经过过滤和脱湿的净化空气。各高炉已有的压缩空气管路由于使用

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点多,压力波动大,净化程度也达不到开铁机的要求。因此使用气动开铁口机时须单独 设置为开铁口机供气的空压机,这样势必增大了投资。与此相比,全液压开铁口机钻削 开口的工作油压是风动开铁口机风压的 20-30 倍,故钻削、冲打能量大,工作可靠,结 构紧凑轻便,可省去专用空压机,节省投资。与电动开铁口机相比较,开口速度明显加 快,开出的孔道平直光滑。另外,目前国内绝大多数高炉均已采用全液压矮身泥炮堵塞 出铁口,选用全液压开铁口机可以和泥炮共用液压泵站,因此,全液压开铁口机必将成 为其他各种开铁口机的替代产品。 所以,研究全液压开口机势必是总的发展趋势。三峡工业设计研究院自主研发的 CHY4000A 全液压开口机主要针对 2000m3 以上高炉的开铁口工作,它集旋转、振打、 逆打、吹扫为一体,钻杆、钻头、水雾化为一体,整机各部位结构紧凑,克服了其它机 型在加大冲击功,加大扭矩情况下易松动的问题。具有功率大、效率高、消耗低、故障 少、带逆打、安全环保等特点,填补了国内空白。 但是随着国内高炉的进一步大型化,这种开口机不能满足超大型高炉(5000m3 以 上)的炉前作业,在功率和打击力上均不能符合要求。因此我们就有必要进一步提高现 有的技术以满足高炉的进一步大型化。虽然我国在中小型高炉及炉前设备已经具备了世 界先进水平,但在超大型高炉发面有很多不足,我们要赶上世界水平就要极力发展自主 创新,完成对超大型高炉及炉前设备技术的自主化,建立起有自己特色的设备及技术。 1.3.2 课题意义 近年来,随着高炉冶炼的强化、炉容不断扩大和无水炮泥等坚硬耐火材料的广泛应 用,出铁口的强度显著提高,对开铁口机的性能要求也相应提高,因此,研制并推广新 型高效能开铁口机具有重要意义。 在科技迅猛发展的今天,钢铁冶炼行业也是突飞猛进,高炉的容量日益增加,所以 就应该有与之适应的炉前设备,开铁口机就是炉前的重要设备,因此我们就应该加大力 度去研制和开发出适应超大型高炉(5000m3 )的开口机。此次我们研究的新型液压开 铁口机主要是针对我国的超大型高炉(5000m3 )而设计研发的,由于之前国内几乎没 有适应超大型高炉的开铁口机,所以我们的研究能够填补国内的空白之处。使我国的钢

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铁事业更快的发展,加速我国开口机的先进水平,使之功率更大、精度更高、速度更快, 能耗更低,自动化程度更高。 另外这项工程有利于我国发扬自主创新能力,拥有我国自主的知识产权,是我国进 一步成为钢铁大国乃至钢铁强国中重要的一步。并且随着科技在综合国力的竞争中的地 位逐渐加强,所以无论是国家还是企业加大创新的力度都是必不可少的。

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2 总体设计方案及参数选择
2.1 总体方案的确定 2.1.1 实现功能的几种方案 首先,了解开铁口机的工作程序,知道它是怎么进行开铁口作业的,以便根据这些 信息去设计开铁口机。它的具体工作程序是:操作人员在远距离通过液压系统实现对开 铁口机的控制,首先开铁口机的回转油缸驱动回转臂回转到工作位置,钻杆与钻头跟随 行走小车在液压马达的驱动下通过链传动实现进给,钻开出铁口;出铁口钻通后,行走 小车快速退回,回转机构回转,使开铁口机返回停放位置,就这样完成了开铁口机从工 作位置到非工作位置的转变。 根据这些,在通过翻阅文献,查找其余开口机的工作原理,了解到开铁口机一般都 是通过转臂带动轨梁旋转,实现了轨梁从非工作位置到达工作位置的转变。而转臂是怎 么转动的,这里选择用液压油缸驱动。由开铁口机的工作原理和工作需求,这里可以提 出以下几种旋转机构的杆机构组成。 方案 1:最简单的想法就是只用到液压油缸去驱动转臂,直接使转臂带动轨梁转过 大于 90°的角度,如果这样一来就只是一个四杆机构(如图 2.1 所示)。

图 2.1 开铁口机旋转机构方案 1 方案 2:还是通过液压油缸驱动,但不同的是转臂可以不用转过大角度去对准出铁 口,可以通过另外一套杆机构去实现轨梁的转角大于转臂的转角,这样就能实现轨梁由 非工作位置到工作位置的角度要求,具体方案见图 2.2 所示:

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图 2.2 开铁口机旋转机构方案 2 方案 3:此方案的设计是基于方案 1 的想法之上设计出来的,它还是通过液压油缸 驱动,但是在方案 1 中略有改动,在原有基础上,添加了一个连杆和 U 形杆去直接实 现转臂的大角度回转。具体设计方案见图 2.3:

图 2.3 开铁口机旋转机构方案 3 2.1.2 几种方案的对比 2.1.2.1 机构分析 自由度分析: 方案 1:该机构是一个四杆机构,其中包括三个活动杆件,3 个铰链副和 1 个移动 副,由此得到机构的自由度 F 为: F = 3n ? 2p5 ? P4 = 3 × 3 ? 2 × 4 = 1

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因此,该机构满足原动件的数目等于机构的自由度,所以它是有预定的轨迹,能够 满足开口机的需求。 方案 2:该机构是一个多杆机构,它包括了 7 个活动杆件,其中由 1 个移动副和 9 个铰链副组成。因此,该机构的自由度 F 为: F = 3n ? 2P5 ? P4 = 3 × 7 ? 2 × 10 = 1 同样,该机构也满足原动件的数目等于机构的自由度,所以它也是存在预定的轨迹, 能够满足开铁口机的需求。 方案 3:该机构是一个六杆机构,其中由 5 个活动部件组成,包括了 1 个移动副和 6 和铰链副。因此,可以得到该机构的自由度 F 为: F = 3n ? 2P5 ? P4 = 3 × 5 ? 2 × 7 = 1 同样,该机构也满足原动件的数目等于机构的自由度,所以它也是存在预定的轨迹, 能够满足开铁口机的需求。 个方案机构优缺点对比: 方案 1:该方案的优点在于机构简单实用,制造方便,组配安装简单,这样一来实 用上也不会出现困难。 但同时缺点也是存在的,由于开铁口机要求转臂转角的要求,这样虽说能使转臂转 动,但是却不容易满足转臂转角的要求(大于 90°),如果为了满足这个要求就要是 油缸的行程加大,这样的后果就是机构变的不紧凑,而且占用面积变大,所以该机构不 是最优方案。 方案 2:该机构的优点在于它不需要转臂一定大角度旋转而是依靠另外一套杆机构 去实现轨梁的转角大于转臂的转角,这样就使得油缸的行程不至于过大,但同样能满足 开铁口的需求。 但是缺点同时是存在的,该机构的杆件过多,势必造成机构的结构上的复杂化,所 以在安装要求精度高,才能不至于出现机构的干涉。 方案 3:该方案直接在方案 1 上进行改进,只是多加了两个杆件,这样也不会使得 机构的杆件过多,达到了机构简单实用的效果。却又能够满足开铁口机转臂转角的要求, 实现转臂从非工作位置到工作位置的转变。

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该机构也存在一些缺点,U 形杆的设计以及各铰链点位置的确定都是不简单的问题, 为了满足转臂转角的要求就要克服这个问题。 2.1.2.2 方案的确定 由上述分析结果得出,方案 1 的想法是行不通的,它的最大缺点就是油缸的行程过 大,这样就不容易满足转臂转角的要求。所以方案 1 首先被排除掉。方案 2 虽说可以改 善方案 1 的油缸行程问题,但它使得机构变得更加复杂,所以方案 2 也被排除。方案 3 的结构比方案 2 的简单去能实现同样的要求,在行程方面比方案 1 的要小的多。所以这 样一来基本确定这次设计的初步方案为方案 3。 虽说方案 3 有可能不是最优的,但是目前应该算是一套比较完美的方案,以后的工 作会进一步改进方案,使得开铁口机旋转机构的优点更加突出。 所以通过以上分析得到了此次开铁口机旋转机构的最终设计方案。 2.2 开铁口机旋转机构的机构分析 自由度在前面的论述已经阐明该机构的自由度是 1,满足机构的要求,所以我们接 下来就对机构的其余特点进行分析和阐述。 首先图 2.3 的简图是不考虑铰链点在转臂的位置的,在这里需要进一步的细化简图, 考虑铰链点相对于转臂铰链点的位置,这样就得到了图 2.4 的机构简图:

1.转臂

2.油缸

3.U 形杆

4.连杆

图 2.4 开铁口机旋转机构

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由图 2.4 可以看出该旋转机构主要由四部分组成:转臂、油缸、U 形杆、连杆。其 中转臂与底座相连,图中未体现出底座。油缸与转臂和 U 形杆分别用铰链连接,并且 U 形杆还与转臂和连杆相连接,连杆的另一端固定不动。该机构的总共有 5 个活动构件: 油缸、活塞杆、U 形杆、转臂、连杆。 2.2.1 机构的工作原理 该机构的工作原理非常简单明了如图 2.4 所示,它主要是通过液压油缸的驱动带动 转臂转动,转臂转动带动 U 形杆的转动,进而又使液压油缸的活塞杆的铰链点移动,U 形杆推动连杆转动,这样就实现了整个机构的运动。总之,一个驱动原件的带动使整个 机构得到了预定的运动轨迹。 2.2.2 机构杆组分析 由图 2.4 所示,该旋转机构可以分解为一个原动件和两个Ⅱ级杆组,因此该机构为 一个Ⅱ级杆组机构,Ⅱ级杆组机构简单,但却能完成开铁口机的要求。其分解图如图 2.5 所示:

图 2.5 机构分解图 该旋转机构如果没有用到 U 形杆只用到油缸和转臂,这样一来就很难实现转臂转 交大于 90 度的要求,即使能达到也需要油缸的活塞杆很长,这样就不能在尽可能小的 范围内实现转臂的大角度旋转。因此加上 U 形杆之后虽说杆件增多,但是机构的级别 并未高还是Ⅱ级机构,并且实现了较小活塞杆行程实现较大的旋转角度。

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2.2 参数的确定 2.2.1 立柱与转臂的确定 根据已有的参数给定转臂回转中心轴线距离转臂的尾部端面的长度为 2450mm,因 此转臂的长度很容易确定出来。现在就确定转臂回转孔径的大小,因为转臂是绕着立柱 旋转的,所以确定了立柱在此处的外径也就基本确定了转臂回转孔径的大小。 因为转臂是一个焊接件,所以在这里选择焊接性能比较好的 Q235,接下来就计算 一下转臂所需的尺寸大小。 假设立柱是一个圆柱体,而转臂是是绕着立柱旋转的悬臂梁。如果转臂和轨梁只受 到自身的重力作用,把该重力作用转化到立柱上得到立柱的受力情况。这里理想条件下 假定转臂的质量为 2000Kg,轨梁加上轨梁上的其余构件的质量 4000Kg,根据图 2.6 我 们可以得到立柱的受力情况:

图 2.6 立柱受力图 如图 2.6 得到F = G + G1 = 2 × 104 + 4 × 104 = 6 × 104 N; 转矩 M 分两个互相垂直的两个方向的分量,所以在图中垂直于平面方向的转矩 M1 = G 2 + G1 L = 2 × 104 ×
L 2.45 2

+ 4 × 104 × 2.45 = 1.225 × 105 N ? m

沿着平面的转矩M2 = G1 L1 = 4 × 104 × 2.5 = 1 × 105 N ? m 由此假设立柱外径为 d,所以立柱的抗弯截面系数为W =
πd3 32



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由于轴向压应力对立柱的截面应力影响比较小,所以在选定立柱的外径时我们可以 省去轴向的压力。因此,把两个转矩合成得到总转矩 M=
2 2 M1 + M2 = 1.2252 × 1010 + 1 × 1010 = 1.58 × 105 N ? m

所以立柱的设计公式为W ? σs ,带入个数据得到: 1.58 × 105 ? 235 × 106 πd3 32 解得d ? 0.190m。由于这个直径是理想的条件小算出来的,在这里需要一个安全 系数 3,此时的直径d ? 0.190 ×
3

M

3 = 0.274m。所以这里凑成整数选择立柱外径为

300mm,因此转臂的旋转孔径的内径就为 300mm。 接下来就是设计转臂的抗弯截面系数,由于转臂靠近旋转轴的截面的转矩最大,是 危险截面,所以就要根据这个截面设计转臂的截面。 此截面的转矩和上述的总转矩 M 的大小相等,所以可以得到设计公式: M ? σs W 把个数据带入得到W ?
1.58×10 5 355×10 6

= 4.45 × 10?4 m3 。

转臂应该选择工字梁,这样既节省了材料,又会有很好的力学性能。转臂的旋转孔 径高度可以根据开铁口机的实际情况估计出来,这里定 h=450mm。这时候就要定下来 外径:转臂旋转孔径的截面是长方形,所以得到W ? σs ,即
M M
bh2 6



? σs ,由此得到

b ? 0.06m,所以外径D ? 0.3 + 0.06 × 2 = 0.42m,在这里考虑安全系数,把外径选 大些,初步定外径 520mm。 从这些计算可以看出 Q235 的材料是能满足要求的。 根据这些就可以设计出合理的转臂主体结构,和立柱的基本形状。 2.2.2U 形杆的设计 因为 U 形杆也是焊接件,所以材料同样选择焊接性能好,价格又便宜的 Q235。U 形杆可以使两块 U 形板中间焊接肋板加固一下即可。从机构简图可以看出 U 形杆是和 转臂很紧密的联系到一起的,所以 U 形杆的形状设计可以根据转臂的大小去合理的定

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义下来,最后再通过一些三维建模的分析得到 U 形杆上几个铰链点的位置,而 U 形杆 的外形则主要不和其余的零件干涉即可。所以 U 形杆的设计只要符合以上所述就可以 了。 2.2.3 底座的设计 底座同样也是需要焊接而成的,是一个比较复杂的零件。所以说在材料的选择上同 样是选择 Q235。底座的组成分几层焊接而成的,一层一层的焊接上去,组成底座的, 层与层之间需要肋板去加固和加大强度,这样既可以节省材料,又可以达到同样的强度 效果。 底座的主要作用是固定在底面,而其余的零件则是在它的基础上安装的,底座与立 柱相互配合的中心孔则可以根据立柱的外径大小定义下来。而且底座的底面积的形状已 给出是一个 1300mm×1100mm 的长方形,四个角有 200mm 的倒角。安装在底座上的 主要零件是连杆和转臂,底座上安装这两个零件位置的孔可以根据这两个零件去确定下 来。因此,底座的主要尺寸是根据其与零件定下来的,在这个基础上再某些部位上添加 肋板,加强一下强度即可。 2.2.4 主要轴承的选择 因为通过查阅资料知道,开铁口机的关键轴承处受力很大,很容易磨损导致转臂和 轨梁转动的位置不够精确,以至于开铁口机不能正对出铁口或者是打出的铁口出现歪斜。 因此,轴承的选择还是很重要的。 旋转滚动轴承的类型与多种因素有关,通常可以根据下列几个因素考虑:允许空间; 载荷大小和方向,如既有轴向载荷又有径向载荷可用角接触球轴承或圆锥滚子轴承;轴 承工作转速;旋转精度,一般机械均可用 G 级公差轴承;轴承的刚性,一般滚子轴承 的刚性大于球轴承,提高轴承的刚性,可通过“预紧”,但必须适当;轴向游动,轴承 配置一般都是一端固定,一端游动,以适应轴的热胀冷缩,保证轴承游动方式,一是可 选用内圈或外圈无挡边的轴承,另一种是在内圈与轴或者外圈与轴承孔之间采用间隙配 合;摩擦力矩,需要低摩擦力矩的机械,应尽量采用球轴承,还应避免采用接触式密封 轴承;安装于拆卸,装卸频繁时,可选用分离型轴承,或选用内圈为圆锥孔的、带紧定 套或推卸套的调心滚子轴承、调心轴承。

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因为这里的轴都是与水平面垂直的,所以轴承主要承受的是径向力,而轴向力比较 小。所以轴承就要选择既能承受轴向力,又能承受径向力的轴承。由于开铁口机是大型 机械装备,而且立柱处承受的载荷很大,但在工作时轴承的转速很低,而且不是连续工 作,只是在开铁口作业时才工作。查有关机械设计手册,这里选用圆锥滚子轴承,而且 轴承公称内径大于 200mm,在前面我们已经选定了立柱的外径为 300mm,所以在这里 也知道外径的选择符合要求大于 200mm。因此,立柱处的两对轴承可以根据外径去选 择。具体选择如下[21]: 圆锥滚子轴承,轴承代号:32956;基本额定载荷:Cr 745KN,C0r 1580KN;极限 转速:脂润滑 630r ? min?1 ,油润滑 800r ? min?1 ;重量 19.7Kg。 圆锥滚子轴承,轴承代号:32960;基本额定载荷:Cr 778KN,C0r 1700KN;极限 转速:脂润滑 600r ? min?1 ,油润滑 750r ? min?1 ;重量 31.5Kg。 开铁口机在连杆处还需要 4 个内径为 70mm 的轴承,具体选择如下: 圆锥滚子轴承,轴承代号:32914;基本额定载荷:Cr 70.8KN,C0r 115KN;极限转 速:脂润滑 3600r ? min?1 ,油润滑 4500r ? min?1 ;重量 0.471Kg。 因为开铁口机上的轴承是工作在高温环境下,而且转速比较低,所以在选择轴承润 滑时应该选择脂润滑的方式。根据机械设计手册的知识,在选择润滑脂时应该考虑到温 度与环境条件和载荷情况。由于开铁口机工作温度高,而且环境比较恶劣,载荷大的特 点,在这里选择 2 号钠基脂作为轴承润滑脂。 2.2.5 油缸的选择 2.2.5.1 油缸行程的计算 油缸行程直接涉及到转臂转角的大小,所以说为了转臂的转角达到 150°,在这里 就要对油缸的行程进行计算。各杆件的长度在之前的计算中已经确定下来,接下来就是 对油缸的行程的计算。因为油缸的行程和转臂的转角有密切的关系,所以就可以依靠这 个关系对油缸行程进行求解。 A.作图法: 活塞杆的行程在杆的参数已知的情况下,可以根据作图的方法求得,以下是作图法 求解活塞杆行程的过程,求解过程见图 2.7,其中图 2.7 是以 1:10 的比例尺绘画的。

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图 2.7 油缸行程作图法 (1) 先把转臂绕 A 点转动 150°,得到新位置,如图虚线所示; (2) 以 B 点为圆心以 BC 上为半径画一个圆,并且以 D’点为圆心以 DC 长为半 径画一个圆与圆 B 相较于一点为 C’点; (3) 以 D 点为圆心以 DE 长为半径画一个圆,并且与以 C’点为圆心以 CE 为半 径画的圆相交于 E’点,这是就重新得到了油缸两个端点的位置 E’F’位置。 (4) 量取之前 EF 的长度为 150.32mm,E’F’的长度为 104.47mm。所以最终油缸 的大概行程应该为L = 150.32 × 10 ? 104.47 × 10 = 458.5mm。 B.解析法 但是作图法的精度不高也不能够精确的分析杆的结构。况且杆机构的变量比较 多,作图法只能求解杆确定的情况下的油缸行程,要分析变量的情况下,作图法的 工作量太大,所以这里还要选择选择解析求解,这样能够表示出转臂在不同角度是 油缸的行程,还可以根据解析式分析个杆件参数对油缸行程的影响。当转臂在工作 位置时,和回转α 角之后的机构图如图 2.8 所示:

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图 2.8 (1)转臂转角α 和连杆转角β 之间的关系: 当转臂转过α 之后 D’点的坐标为 R cos α ? L2 sin α ,R sin α + L2 cos α ,C’点的 坐标为 e cos θ ?e2 cos ε ? β ,e sin θ + e2 sin ε ? β 。因为 C、D 两点在 U 形杆上 的位置一旦给定是不变的,所以 C’D’的长度为LC ′ D ′ = 这个方程可以得到两个转角之间的数学关系。 (2)油缸行程和转角α 之间的关系: 当转臂在水平位置时 C、D 两点的坐标分别为 R ? e2 cos ε ,e sin θ + e2 sin ε , (R,L2 )。 在转臂转动的过程中 U 形杆是个刚性原件铰链之间的距离是不变的,所以可以根 据 CE 与 DE 的不变形列两个方程: LDE = LCE = (Ex ? Dx )2 + (Ey ? Dy )2 (Ex ? Cx )2 + (Ey ? Dy )2 (1) (2)
′ ? D′ )2 + (C ′ ? D′ )2 ,有 (Cx x y y

根据以上的求解知道了 C、D 两点的坐标,所以可以根据这两个方程得到用转角α 表示的 E 点的坐标。根据相同的办法可以得到 E’点的坐标值。

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根据图 2.8 还可以得到转臂在开铁口时位置和转臂转过α 角之后的 F,F’点的坐标 值分别为: F 点坐标为 e1 + R,L1 ; F’点的坐标为[ e1 + R sin α + L1 , e1 + R cos α ? L1 sin α]。 所以以上的过程可以用转角α 分别表示 E、F、E’、F’这四点的坐标值,因此油缸 的形成的表达式为: L油缸 = EF ? E‘F’ = (Ex ? Fx ) + (Ey ? Fy ) ? (E′x ? F′x ) + (E′y ? F′y )
2 2 2 2

所以把这四个点的坐标带入上个方程即可得到油缸行程和转臂转角之间的关系解析 式。只要把杆机构的个参数带入方程就可以方便的分析油缸的行程和转臂转角之间的关 系。进而求得转臂转过 150°时油缸的行程。 通过以上方法求得油缸的行程为 455mm。 2.2.5.2 油缸筒径的计算 因为,油缸的选定还需要确定油缸筒的筒径,在这里给定了开铁口机进行开铁口作 业时候。轨梁前端与支撑墩的接触处的受力情况,垂直压力PZ = 70KN,水平推力 PY = 15KN,水平转矩MZ = 45KN ? m,最大倾翻力矩MX MY = 96KN ? m。由于这时候 的水平推力和水平力矩需要液压油缸去提供反力,使得轨梁的前端和支撑墩不至分离。 这样就要根据旋转机构的杆件尺寸和轨梁的受力情况,得出液压油缸的压力。由压力和 液压油缸的输出压强可以得到液压油缸缸筒的直径,进而得到活塞杆的直径 d。在知道 行程的情况下就可以确定油缸的型号。 但是如果用数学计算的方法,会有很大的计算量,这里就想到了在 ADAMS 中按照 旋转机构的尺寸和各个铰链点的位置,建立一个简单的模型,在轨梁前端施加力和力矩 的约束。从而在液压油缸的位置添加一个弹性模量很大的弹簧,这样测得的弹簧受力就 是液压油缸的受力。从这个模型中还能够得到各个铰链点的受力,进而进行一下强度分 析。图 2.9 为 ADAMS 中的模型:

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图 2.9ADAMS 模型 图中的尺寸都是按照旋转机构的尺寸的 1:1 比例建模的,同种的铰链名称和位置见 下表: 表 2.1 构件 1 转臂 连杆 连杆 U 形杆 构件 2 地面 地面 U 形杆 转臂 铰链名称 Joint_1 Joint_2 Joint_3 Joint_4

在转臂和 U 形杆的两个安装液压油缸的铰链点创建一个弹簧,并假设弹簧的刚度 为1 × 1010 N/m,设置仿真时间为 1s,Steps 为 100,仿真结果如下,测得的弹簧的受力 如下图所示:

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图 2.10 弹簧受力图 从图中可以看出弹簧的最大受力为1.740 × 105 N,那么这样一来就可以知道开铁口 机在进行开铁口作业时,油缸的保持的压力作用在活塞杆上的力 F 为1.740 × 105 N,因 为旋转机构在工作是液压油缸的工作压力为 13Mpa,那么油缸的缸筒直径 D 为: P?S=P? 所以D =
4F πP

πD2 =F 4

=

4×1.740×10 5 3.14×1.3×10 7

= 0.130m。在这里进行圆整得到缸筒直径 D 为

130mm,根据经验公式活塞杆直径 d=0.6D=0.6×130=75mm。 最后进行油缸长度的计算,油缸筒长度=活塞行程+活塞长度+活塞导向长度+活塞 杆密封及导向长度+其它长度。其中:活塞长度=(0.6—1)D;活塞杆导向长度=(0.6— 1.5)d。其它长度指一些特殊的需要长度,如:两端的缓冲装置长度等。 所以油缸筒长度=455+1×130+1×75+100=760mm。 初步确定了液压油缸的缸筒直径,活塞杆直径和油缸筒长度。 通过上述模型还可以得到几个铰链点的受力情况,通过受力的大小可以校核一下销 轴的强度。各个铰链点的受力见下表: 表 2.2 铰链名称 受力大小(N) Joint_1 8.369 × 104 Joint_2 9.252 × 104 Joint_3 9.252 × 104 Joint_4 2.48 × 105

从上表可以看出油缸保压进行开铁口作业时,铰链 4 的受力最大,因此,此处的销 轴的受力情况最恶劣,需要的销轴较大。下表是几处销轴的尺寸: 铰链名称 尺寸(mm) Joint_1 φ 300×465 Joint_2 φ 70×80 Joint_3 φ 70×80 Joint_4 φ 100×455

所以根据受力和尺寸的大小就可以校核销轴的挤压强度和剪切强度[22],因为一般轴 用材料为 45 号钢,它的屈服强度极限σs 为 355MPa。 挤压强度校核:
1 Joint_1:σ1 = bd =

F

8.369×10 4 0.3×0.465

= 0.59MPa < σs ,符合要求;

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2 Joint_2:σ2 = bd = 3 Joint_3:σ3 = bd =

F F F

9.252×10 4 0.07×0.08 9.252×10 4 0.07×0.08 2.48×10 5

= 16.52MPa < σs ,符合要求; = 16.52MPa < σs ,符合要求;

4 Joint_4:σ4 = bd = 0.1×0.455 = 5.455MPa < σs ,符合要求。

剪切强度校核: Joint_1:σ1 = π r12 = 3.14×0.15 2 = 1.18MPa < σs ,符合要求; Joint_2:σ2 = π r22 = 3.14×0.035 2 = 24.05MPa < σs ,符合要求; Joint_3:σ3 = π r32 = 3.14×0.035 2 = 24.05MPa < σs ,符合要求; Joint_4:σ4 = π r42 = 3.14×0.05 2 = 31.59MPa < σs ,符合要求。 通过以上校核各处的销轴的强度是满足要求的,说明 45 号钢的强度能够达到技术 要求,无需强度更高的 40Cr。 2.2.6 其余零件的选择 其余的零件包括销轴、螺栓、螺母、垫片等标准件,这些零件的选择应该配合零件 之间的连接尺寸,在通过机械设计手册的标准可以一一选择出来。这里销轴的材料一般 选择 45 号钢,因为销轴的结构尺寸较小,需要较大强度的材料。其余的零件在这里就 不在赘述。 这样就可以通过螺栓,销轴的连接就可以把开铁口机的关键零件连接起来,组装成 一台机器。之后进行下一步工作。 2.3 机构的运动学分析 在机构的主体尺寸确定下来之后,我们就可以通过机构的运动简图,去进行机构的 运动学分析。 机构的运动分析是安给定的尺寸、主动件的位置和运动规律,求解机构在运动过程 中:各构件的对应位置,构件上特定点的位移和轨迹;构件上某些特定点的速度和加速 度;各构件的角速度和角加速度。 平面机构运动分析有矢量图解法、解析法、瞬心法、线图微积分法、实验法。但是 这五种方法各有特点[23]。
F 2.48×10 5 F 9.252×10 4 F 9.252×10 4 F 8.369×10 4

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矢量图解法:简单、直观性强,但精度比解析法差; 解析法:精度高、能够给出个运动参数与构建尺寸间的解析关系,便于合理确定机 构参数,计算复杂,但可自行编制软件或利用现存软件用计算机求解; 瞬心法:简单、尤其适用于求构件数较少的机构中某构件的角速度或某点的速度, 不能用于求解机构的加速度,精度比解析法差; 线图微积分法:可以简便地求出构件在整个运动循环中的运动情况,并能求出速度 加速度的极限值,及其所在位置。但只能求运动参数的大小,不知方向,除直线运动外, 只能求某点的切向加速度; 实验法:能够反映机构在工作条件下的真实运动,可检验机构的运动与其主要尺寸 呢间的关系,对解决输出构件的运动和轨迹问题较简单,需要测试设备,不便于分析中 间构件的运动。 因解析法复杂,且本次设计的重点不是解析分析,所以就用一个比较直观的方法, 瞬心法进行机构的速度分析。瞬心法是依靠三心定理作图的,即三个互作平行平面运动 的构件,它们的三个速度瞬心必定在一条直线上。 因本机构的构件为 6 个,所以,一共会有 15 个速度瞬心,其瞬心求解过程如图 2.9:

图 2.9

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构件上某点的相对速度或绝对速度等于其绕相对瞬心(或绝对瞬心)转动的角速度 与该点到相对瞬心(或绝对瞬心)的距离的乘积。从图中可以方便的看出这些瞬心的位 置,如果给定油缸的速度之后,就可以通过几何关系求解出其余构件的速度或者是角速 度。 2.4 小结 本节主要完成了开铁口机的方案确定和参数选择。在这里主要用到了机械原理和材 料力学的知识,提出几种方案之后分析优缺点得到现在的设计方案。之后又逐步的去确 定各杆件的主体参数,有了这些数据之后就方便之后的绘制工程图和三维建模的实现。 所以接下来就是去三维建模验证该机构的合理性,看是否能够满足开铁口机的工作需求。

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3Pro/Engineer 三维建模
3.1 建模过程 三维建模是为了能够更直观的看到设计的产品,并且可以为二维工程图的绘制打下 基础。因为有了参考绘制工程图会更方便一些,而且还能够检验一些设计的机构是否能 够符合要求,零件之间是否会出现干涉等情况,所以在这里选择了三维建模,生成开铁 口机的三维模型。 Pro/Engineer 三维建模是一个承上启下的步骤,它是对前面设计的理解消化之后, 才能合理的进行建模。同时,在 Pro/Engineer 建模完成之后,可以对转臂这个关键零件 进行强度校核和分析。 而且 Pro/Engineer 三维建模模型可以实现和 ADAMS 的无缝连接,实现开铁口机的 仿真分析。因此 Pro/Engineer 三维建模只是一个辅助步骤,最终要完成的是对旋转机构 的 ADAMS 运动学仿真分析,并完成对机构的分析和关键铰链的受力分析。 接下来是简要的描述一下 Pro/Engineer 三维建模的过程。 首先,应该了解这次建模不存在复杂曲面的建立,因此主要用到了 Pro/Engineer 三 维建模中的旋转和拉伸命令,配合一些扫描,筋板和阵列命令就可以建立三维模型。其 次,是在建立模型时,应该充分考虑好拉伸和旋转的顺序,这样可以很快的建立模型, 不至于浪费过多的时间。最后,完成零件的建模之后,充分考虑好零件之间的约束关系, 有条理的进行装配,装配结束之后就可以观察到开铁口机各个零件之间是否干涉,机构 是否合理等信息。因此,Pro/Engineer 三维建模还可以起到一个检验的过程,尽早发现 机构的不足进行改进。 旋转机构的主要零件包括底座、立柱、连杆、U 形杆、油缸、活塞杆和转臂等零件 组成。还有一些轴承、螺栓、螺母、垫片等一些次要零件,而且都是标准件,可通过机 械设计手册直接查阅得到尺寸。最后还有几根销轴用于铰链处连接和端盖用于密封。 在这里就不单独介绍零件的详细建模过程,而是直接把建模的结果展示在这里,以 下是通过 Pro/Engineer 得到的三维建模图例,注意在三维建模时候一定要注意配合尺寸, 一面在装配时出现报错,影响进度。

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图 3.1 底座

图 3.2 立柱

图 3.3U 形杆

图 3.4 连杆

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图 3.5 转臂

图 3.6 油缸简化图

图 3.7 拉杆架图

3.8 自润滑轴套

以上就是装配需要的主要零件的三维建模,它们之间彼此的连接关系则需要销轴的 定位和连接,有些部位还需要轴承的支撑和螺栓的连接固定。整个机构中有四个销轴和

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一个固定轴。而销轴的定位则需要挡板,所以次开铁口机的模型需要四块挡板。几根销 轴的形状近似,只是尺寸上有一定的差距,因此这里只给出油缸和转臂处的连接销轴如 下图 3.9 所示:

图 3.9 销轴 在零件的模型都全部建成之后,下一步的工作就是进行整个模型的装配。在 Pro/Engineer 的环境下进行装配是十分方便的,只要掌握好零件之间的约束关系和位置 关系就能一步一步的进行装配。开铁口机模型在 Pro/Engineer 的环境下进行组件转配时 候,主要用到的是插入、配对和对齐这三个约束关系。首先,是先把底座固定在工作环 境下,之后在按照先后顺序逐步的把各个零件依次装配上去。这里要特别的注意一个问 题,在 Pro/Engineer 中铰链的连接要定义成销轴,而油缸缸筒和活塞杆则要定义成滑动 杆。这样约束之后,在 Pro/Engineer 的环境下,还可以对机构进行一些简单的运动仿真, 检查一下零件在各个位置时是否发生干涉[24]。以此来验证一下开铁口机的机构是否合理, 是否能够达到预期的效果和功能。 因为建模只是这项设计分析的一个辅助过程,在这里就不过多的叙述装配过程,通 过在 Pro/Engineer 中正确,灵活的运用约束关系和装配的先后顺序来完成机构的装配, 最终得到机构的总装图见图 3.10:

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图 3.10 开铁口机旋转机构装配总图 装配的过程中还可以通过分析中的全局干涉来快速检查机构的干涉位置,能够尽快 的做出改进,解决干涉问题。例如,有些尖角位置和接触的零件之间发生干涉,这时候 就可以把尖角做成圆角就可以解决问题了。以此来保证机构的合理性和在运动的过程中 不至于发生零件之间的位置干涉。

图 3.11 全局干涉检查 到这里就完成了新型液压开铁口机旋转机构的 Pro/Engineer 建模,之后就要依靠这 个模型来完成 ADAMS 运动学的仿真分析,测量个铰链点的受力、某些点的运动轨迹和 一些点的速度和加速度。除此之外还可以对一些关键零件在 ANSYS 中进行强度校核。

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所以这个 Pro/Engineer 三维模型还是很有用处的,它可以衔接两个模块,通过它可以完 成不同的任务要求。 3.2 小结 本章节主要完成了开铁口机旋转机构的 Pro/Engineer 三维建模,利用 Pro/Engineer 的强大的三维建模能力,顺利的完成了建模的任务。为接下来的任务打下基础,把 Pro/Engineer 的模型保存为.IGES 格式之后可以在 ANSYS 中进行强度校核,通过 Mech/pro 可以实现 Pro/Engineer 与 ADAMS 的无缝连接,以此来实现开铁口机旋转部分 的运动学分析。

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4 强度校核
4.1 强度校核 因为本机构中受力最大的零件就是转臂,它的尾部连接着轨梁,而且又绕着立柱旋 转。这样转臂就可以看作是一个悬臂梁,因此有必要对转臂的力学性能进行分析,以保 证它在回转过程中不要出现太大的挠度变形,导致开铁口机不能正对准出铁口,这样就 会造成开铁口作业的不准确。 同理,U 形杆是和转臂密切联系的而且对开铁口机的旋转机构有很重要的作用,所 以也应该进行一下强度校核。 因此,接下来就是在 ANSYS 中对转臂和 U 形杆进行强度校核。 在这里说明一下因为转臂和 U 形杆都是运动的,但是这里的校核都是针对转臂和 U 形杆在开铁口作业时的一瞬间的强度进行校核得到的结果。并没有进行动态的分析和 校核。 (1)转臂的强度校核 这里可以把 Pro/Engineer 的三维模型另存为.igs 格式之后,在 ANSYS 中就可以直 接导入这个模型,之后定义材料的弹性模量、泊松比和密度。因为转臂和 U 形杆的材 料都是 Q235,属于普通碳素结构钢,弹性模量为2 × 1011 Pa,泊松比为 0.3,密度为 Kg 7800 m3 。添加好这些之后,定义网格类型为 Brick 8node 45。之后就可以生产网格, 添加约束和载荷,之后 solve|Current LS 就能够计算这个模型的应力和变形了。下图是 转臂模型的 ANSYS 校核过程:

图 4.1 转臂网格图

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图 4.2 转臂节点云图

图 4.3 转臂应力云图

图 4.4 转臂变形图 从图 4.2-图 4.4 中可以看出转臂在圆钢筒和钢板的焊接处的应力最大,在靠近圆钢 筒的轴线的位置的钢板的应力比较大,这是符合实际情况的,因为在焊接处容易出现应 力集中,在靠近圆钢筒的位置的弯矩比较大,导致应力也比远离的位置大。从图中看出 最大节点应力为1.82 × 108 Pa,最大单元应力为1.85 × 108 Pa,因为节点解与单元解的 相差在 5%以内,所以得到的解是正确的。最大应力都没有超过 Q235 的强度极限,所 以转臂的强度达到要求。最大变形为 3.26mm。 (2)U 形杆的强度校核 U 形杆的强度校核与转臂的校核十分相似,经历同样的步骤。以下是校核的步骤以 及一些受力云图:

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图 4.5U 形杆网格图

图 4.6U 形杆节点受力云图

图 4.7U 形杆单元受力云图

图 4.8U 形杆变形图 从图 4.6-图 4.8 中可以看出 U 形杆的受力最大也出现在焊接处,都是应力集中的问 题,而且 U 形杆的圆弧拐角处得应力也比较大,这是因为在过渡的地方容易出现应力 集中所致,所以得到的结果基本正确。从图中可以看出,U 形杆的节点最大应力为

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1.22 × 108 Pa,单元的最大应力为1.33 × 108 Pa。U 形杆的节点解和单元解的差在 5% 左右,所以得到的解也是正确的,最大应力没有超过 Q235 的屈服极限 235MPa。所以 转臂的强度符合要求,最大变形为 3.5mm。 4.2 小结 通过本章节的分析得到,关键零件转臂和 U 形杆的强度是符合要求的,没有出现 超出最大应力极限的情况,所以选择的 Q235 材料是能够满足开铁口机的工作要求的, 无需更贵重的材料。

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5ADAMS 仿真分析
在第三章节中已经建立好开铁口机旋转机构的 Pro/Engineer 三维模型,但是在这里 必须对原有的机构进行简化处理,舍弃一些不必要的零件,这样一来就可以方便实现旋 转机构的仿真过程。 5.1Pro/Engineer 模型的简化 首先,在之前的建模中没有考虑轨梁,所以在这里就需要把轨梁简化成一个形似轨 梁的质量块之后再吧它和转臂相连接;然后再省去一些不必要的螺栓、螺母等零件;最 最后在 Pro/Engineer 的环境下给每个零件定义材料,我在这里定义的都是 45 号钢,换 上各自的颜色,以便于区分各个零件。最终得到的简化效果图如图 5.1 所示:

图 5.1 旋转机构简化三维图 5.2 利用 Mech/pro 实现 Pro/Engineer 与 ADAMS 的连接 首先,为了实现连接必须把 Pro/Engineer 中单位制设置成 ADAMS 中识别的单位制, 例如毫米千克秒(mmKs),这个单位制就是 ADAMS 能够识别的一种,所以就要把 Pro/Engineer 中的零件和装配单位制均改成 mmks,这样之后才能进行下一步工作。 其次,就是在 Pro/e 中添加在 ADAMS 中能够识别的约束,具体方法如下: 用 Mech/pro 生成刚体。GUI:MECH/Pro|SET UP MECHANISM|Rigid Bodies|Create|Automatic-All Parts; 在零件之间添加约束副、标记点、运动等。GUI:MECH/Pro|SET UP MECHANISM|Constraints|Joint|Create,到这里就可以选择建立哪种约束了,因为旋转部

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分包含了 6 个铰链副和 1 个移动副,因此接下来就是添加这几个约束。现在就介绍底座 与连杆的铰链副如何添加;先是选择 Revolute,给约束取名 name:1,First RB:Part 0001,Second RB:Part 0003,Location|At Center:选择铰链处的外圆,Z Orientation: 选择这个外圆的轴线,之后双击鼠标中间,完成了这个铰链的添加。其余的 5 个铰链副 和 1 个移动副都是按照这个步骤添加的。添加完这些约束之后的示意图如下图所示:

图 5.2 添加约束 模型的导入,GUI:SET UP MECHANISM|Interface|ADAMS/view|Done Return,之 后会出现下图所示对话框点击 OK 之后系统就会自动打开 ADAMS 进行仿真分析。

图 5.3 5.3ADAMS 中仿真分析 5.3.1 添加约束及运动激励 至此已经有了可以在 ADAMS 中仿真分析的模型,下一步就是进行旋转机构的分 析,首先应该认识到底座是固定的,而轨梁是固定在转臂上的。所以应该在 ADAMS 中 施加固定约束在底座与地面之间,转臂和轨梁之间。

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添加好约束之后就是给油缸一个运动激励,根据油缸工作平稳的要求,给油缸一个 匀速运动,其中; v= s t

其中 v 是油缸和活塞杆的相对速度,s 是油缸的行程,t 是运动时间。添加完之后 大致满足油缸的工作状况,可以大致的仿真出开铁口机旋转机构的旋转过程。但是开铁 口机从非工作位置到工作位置的变化,是靠油缸提供的驱动力,为了更真实的反映油缸 的工作状况,所施加的驱动应该是启动-平稳-制动的全过程。所以,运用 ADAMS 中提 供的函数库提供一个匀加速-匀速-匀减速的速度函数图象。这个函数的实现需要函数库 中的 IF 函数[25],函数具体定义为:IF(time-1:32.5*time,32.5,IF(time-14:32.5, 32.5,32.5*(15-time)))。 5.3.2 仿真设置与仿真 在 Settings|Gravity 中,在 Y 轴负方向上添加重力加速度。 之后再进行仿真分析,单击 Interactive Simulation Controls 工具按钮,展开选项去; 设置 End Time 为 15s,Steps 为 100; 单击 Start or continue simulation 工具按钮即开始模型仿真。 这样就完成了开铁口机的仿真动作,接下来就是要对该机构进行运动学分析,以及 各铰链的受力进行分析。 5.3.3 仿真结果 5.3.3.1 主要构件的运动学特性 因为轨梁和转臂都是开铁口机旋转机构的重要部件,又因为它们的质量和转动惯量 都很大,因此它们的运动学特性是旋转机构仿真的重点内容。应该仔细的分析它们的运 动特性,看它们是否满足旋转过程中平稳的要求。 下面分别对转臂和轨梁的位移、速度、加速度方面进行测量得到如下结果:

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图 5.4 转臂中心速度

图 5.5 转臂重心加速度

图 5.6 轨梁重心速度

图 5.7 轨梁重心加速度

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图 5.8 转臂重心角速度

图 5.9 转臂重心角加速度 图 5.4-图 5.9 反映了转臂和轨梁在回转过程中的运动学特性,可以看出转臂和轨梁 的速度都和油缸的运动激励有些相似之处,正是因为油缸驱动的变化导致了转臂和轨梁 运动特性的变化,这是符合机构的运动原理的。在其余的时间转臂和轨梁的运动速度接 近匀速,运动过程中比较平稳。在加速度方面也是由于启动和制动的影响在 1s 和 14s 时候有些突变,在其余的时间保持比较稳定。由此可以看出它们的运行过程比较平稳。。 因为轨梁和转臂是转臂开铁口机旋转机构的主要构件,它们的质量、转动惯量都很大, 所以它们运行是整个机构运行平稳的关键。 5.3.3.2 主要铰链点的受力情况 几个主要铰链点的位置如下表所列: 表 5.1 铰链位置介绍 构件 1 底座 构件 2 连杆 铰链名称 Joint_1

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连杆 U 形杆 底座 U 形杆 转臂

U 形杆 转臂 转臂 活塞杆 油缸缸筒 下面就对各个铰链的受力进行测量,得到以下曲线图:

Joint_2 Joint_3 Joint_4 Joint_5 Joint_6

图 5.10Joint_1 受力

图 5.11Joint_2 受力

图 5.12Joint_3 受力

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图 5.13Joint_4 受力

图 5.14Joint_5 受力

图 5.15Joint_6 受力

图 5.16 几个铰链点受力比较

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从各个铰链点的受力来看。连杆两端的铰链 Joint_1 和 Joint_2 的受力大小情况相同, 如图 5.10 和图 5.11 所示,因此连杆是符合二力杆受力原理的。同理,油缸的缸筒处铰 链 Joint_6 和活塞杆处铰链 Joint_5 的受力情况也是相同的,说明油缸也满足二力杆的受 力原理。从比较图中可以看出油缸出铰链 Joint_5 和 Joint_6 只有初始的时候力比铰链 Joint_4 的力大,这是由于要带动轨梁和转臂两个大转动惯量的物体旋转要克服的力很大 造成的一旦启动就不会受那么大的力了。所以,综合比较起来还是转臂与底座相连接的 铰链 Joint_4 的受力最大,这是因为该铰链点承担了整个机构的自重,是整个回转运动 的旋转中心。从各个铰链处的受力可以看出:在 1s 和 14s 时力出现了突变,这是因为 这个时候出现了启动和制动这两个阶段造成加速度的改变,才使得力出现了突变。在中 间匀速运动阶段,轨梁的加速度无明显变化,所以各个铰链处的受力一直很平稳。从各 个铰链点的受力情况可以看出轨梁运行的平稳性是评价整个机构运行平稳的关键。如果 给油缸一个匀速直线运动,则各个铰链点的受力则没有突变。 5.3.4 仿真结果的验证与分析 图 5.4-图 5.9 是开铁口机旋转机构的运动学仿真结果,也就是对开铁口机运动特 性的模拟仿真。由轨梁质心的速度、加速度可以看到轨梁的大致运动规律:启动-平稳 运行制动。转臂是一个绕底座立柱做定轴旋转的构件,本次仿真对它的角加速度、速度 进行了测量,它的运行规律同轨梁。开铁口机上的其它构件,都直接或者间接地关联在 转臂上,绕转臂的回转中心做旋转运动,所以其它构件的运行规律同转臂的运行规律一 样。它们都经历了一个启动-平稳运行-减速制动的过程。至此,本文可以得出开铁口机 旋转机构的运行规律。图 5.10-图 5.16 是开铁口机在回转过程中,各铰链点所受的惯性 力。惯性力最大点出现在转臂的旋转支点,连杆和油缸两端的受力满足二力杆原理。 从仿真的结果可以看出,这次仿真的任务基本达到,对开铁口机的旋转机构进行了 系统的运动学分析,和一些铰链点的受力分析,总体结果符合实际情况,达到了仿真分 析的目的。 以下是一张仿真的俯视图,它描述了轨梁前端一点的运动轨迹:

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图 5.17 轨梁前端一点轨迹图 5.4 小结 本章完成了开铁口机旋转机构的运动学分析,从分析的结果知道,在回转整个过程 中除启动与制动之外,转臂和轨梁在运行过程中比较平稳,因此各个铰链点的受到的冲 击载荷也比较小,能够降低材料的标准,从而降低费用。所以这种开铁口机的旋转机构 运行平稳,结构紧凑,具有良好的动态特性。

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从本次的设计过程中看,最初主要通过比较分析的方法得到了最初的设计方案,并

通过计算分析得到了各个杆件的参数和铰链点的位置,并以此对开铁口机的旋转机构进 行了简单的杆组分析和运动学分析,得到开铁口机旋转机构的工作原理。 之后就是根据具体的参数,进行了开铁口机旋转部分的三维建模,在 Pro/Engineer 的环境下进行整个机构的组装,并得到组装总图。在 Pro/Engineer 的环境下还可以通过 机构分析得到各个零件之间运动的任意时刻的位置关系,从而分析各个零件之间是否干 涉,可以找到不足之处之后可以方便的改进。 完成 Pro/Engineer 三维建模之后,就是开铁口机的工程图的绘制,由于有了三维建 模的辅助,只需按照三维模型去绘制二维图纸,但是图纸的绘制还是很繁琐的事情,需 要查找机械设计手册,规定零件的形位公差和粗糙度等信息。 完成这些之后就是 ANSYS 强度分析符合强度要求,又进行了 ADAMS 的运动学分 析,得出开铁口机的旋转机构在运动过程中轨梁和转臂的运动是比较平稳的,符合开铁 口机的实际要求。此外,还计算了一些主要铰链点所受到的惯性力,这些力也没有太大 导致零件的破坏。 最终,此次设计的任务基本达到,设计的作品符合现场的实际要求。

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参考文献
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附录

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在学取得成果
一、 在学期间所获的奖励 应注明奖励名称、授奖机构、授奖时间等。 二、 在学期间发表的论文 应按照参考文献的格式来填写。 三、 在学期间取得的科技成果 应注明课题名称、参加身份、通过时间、通过方式、评定机构等。

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本课题是在导师尹忠俊老师的悉心指导下完成,在此,对导师给予科研上的教诲和 帮助、生活上的关怀表示衷心的感谢和崇高的敬意。尹老师严谨的治学态度、无私的道 德情操、正直的为人深深的感染和鼓励着我,时刻激励着我克服困难。无论从学习上还 是从生活上,导师的无私帮助、谆谆教诲令我终身受益。 也感谢各位小组的同学在课题上无私的建议和大力帮助。同时感谢我的家人多年 来对我无私的关心和鼓励。谢谢所有关心和帮助过我的老师、同学。

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