王林
（福建省三鋼（集團(tuán)）有限責(zé)任公司煉鐵廠，福建 三明 365000）
摘 要：布料器是高爐爐頂?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，它通過(guò)控制布料溜槽圍繞高爐中心線的旋轉(zhuǎn)和傾動(dòng)，以完成高爐不同的布料工藝要求。文章主要介紹福建三鋼煉鐵廠3# 高爐爐頂布料器的更新改造，簡(jiǎn)析三油缸驅(qū)動(dòng)布料器的傳動(dòng)原理，校核三油缸驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)壓力與流量。
關(guān) 鍵 詞：布料器；改造；回轉(zhuǎn)支承；三油缸；溜槽傾動(dòng)
1 概述
福建三鋼煉鐵廠3# 高爐于2017 年2 月16 日開始進(jìn)行改造性中修，在此之前3# 高爐爐頂一直使用鋼絲繩傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布料器。該種布料器需每半年對(duì)鋼絲繩進(jìn)行更換，同時(shí)因?yàn)殇摻z繩傳動(dòng)附帶多個(gè)定滑輪與動(dòng)滑輪組，造成布料器內(nèi)部手動(dòng)潤(rùn)滑點(diǎn)多、活動(dòng)空間狹小，給日常維護(hù)帶來(lái)不便。針對(duì)上述問題，此次3# 高爐改造性中修，爐頂布料器由鋼絲繩傳動(dòng)改為三油缸驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。
2 設(shè)備安裝
2.1 布料器安裝尺寸變化
鋼絲繩傳動(dòng)布料器重量16t，設(shè)備安裝高度1670mm；三油缸驅(qū)動(dòng)布料器重量20t，設(shè)備安裝高度1770mm。
2.2 下波紋管安裝高度變化
原下波紋管安裝高度為468mm，本次改造中爐頂下密封閥及以上設(shè)備利舊，即下密封閥下法蘭的標(biāo)高（30.288m）不變，在保證布料器安裝與下密封閥不干涉的情況下，下波紋管的安裝高度加高至520mm，可伸縮量為±50mm，以適應(yīng)高爐自由上漲。
2.3 爐喉封罩尺寸變化
因布料器安裝高度加高100mm（1670mm→1770mm），下波紋管安裝高度加高52mm（468mm→520mm），為保證設(shè)備安裝，且在爐殼拐點(diǎn)標(biāo)高（26.135m）不變的情況下，爐頂鋼圈下標(biāo)高需降低152mm，又因本次3# 高爐中修改造爐頭封罩下口內(nèi)徑由Φ5480mm 改為Φ5180mm，封罩錐角由51° 調(diào)整為55.3°。
3 布料器傳動(dòng)原理
3.1 溜槽旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
溜槽的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由減速電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)上回轉(zhuǎn)支承外圈旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)部件通過(guò)螺栓固定在上回轉(zhuǎn)支承外圈上（回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈固定在箱體頂蓋上），進(jìn)而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件圍繞布料器中心線旋轉(zhuǎn)，溜槽采用卡掛方式安裝在旋轉(zhuǎn)部件的下部隨之旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形布料工藝。
3.2 溜槽傾動(dòng)運(yùn)動(dòng)
溜槽的上、下傾動(dòng)由托圈的垂直運(yùn)動(dòng)決定。托圈由8 根垂直的導(dǎo)軌限位，導(dǎo)軌約束托圈只能上下“垂直平動(dòng)”，托圈上安裝了8 對(duì)導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌配合。托圈的下部與下回轉(zhuǎn)支承（注：下回轉(zhuǎn)支承相當(dāng)于一個(gè)能夠承受較大傾翻力矩的軸承） 外圈通過(guò)螺栓固定，該軸承外圈只能隨托圈上下垂直平動(dòng)，而內(nèi)圈必然同時(shí)與外圈上下平動(dòng)。內(nèi)圈固定著一個(gè)方形框架，當(dāng)托圈垂直平動(dòng)的時(shí)候，框架帶動(dòng)兩個(gè)平行的曲柄繞耳軸擺動(dòng)，耳軸的另一端與溜槽托架相連，溜槽安裝在溜槽托架上，因此，水平旋轉(zhuǎn)中的溜槽可以同時(shí)繞耳軸擺動(dòng)。托圈的上下垂直平動(dòng)由三根油缸通過(guò)連桿裝置驅(qū)動(dòng)，因此總結(jié)為：三根油缸帶動(dòng)拖圈上下運(yùn)動(dòng)，拖圈通過(guò)方形框架（與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈固定）帶動(dòng)曲柄擺動(dòng)，最后由曲柄帶動(dòng)溜槽傾動(dòng)。
3.3 旋轉(zhuǎn)與傾動(dòng)運(yùn)動(dòng)合成
旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與托圈的垂直升降運(yùn)動(dòng)通過(guò)下回轉(zhuǎn)支承相連，實(shí)現(xiàn)布料溜槽既旋轉(zhuǎn)又?jǐn)[動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)兩個(gè)自由度任意組合，實(shí)現(xiàn)高爐各種布料工藝要求。
4 三油缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壓力與流量校核
4.1 初始參數(shù)
（1）布料溜槽長(zhǎng)度：L=1800mm，曲柄長(zhǎng)度：450mm
（2）布料溜槽傾動(dòng)角度：0°～50°（實(shí)際工作角度：0°～45°）
（3）溜槽傾動(dòng)速度為0°～6°/s
（4）中心喉管：φ500mm
（5）料流量：Q0=0.25m3/s（節(jié)流閥開到最大45°時(shí)）
（6）燒結(jié)礦堆比重（ρb）：1.7t/m3
（7）溜槽及托架重：G 溜槽=2020kg，托圈等上下運(yùn)動(dòng)部件的重量為3210kg
（8）爐頂液壓站系統(tǒng)壓力P：12Mpa；油缸缸徑：100mm，桿徑：56mm，行程：380mm
4.2 初始計(jì)算
4.2.1 溜槽上的料重：（以燒結(jié)礦的重量計(jì)算）
（1）中心喉管下料速度：V=Q0/F（F 為中心喉管排料面積）F=π0.252=0.196m2，V=0.25/0.196≈1.3m/s。
（2）溜槽有效長(zhǎng)度上的料重：G 料=（L 料/V）*Q0ρb=（1.8/1.3）×0.25×1.7×1000≈600kg
4.2.2 溜槽重心確定
用SolidWorks（三維軟件）畫出溜槽外形，假定其材質(zhì)均勻，可自動(dòng)得出其重心坐標(biāo)（X0，Y0），圖1、圖2、圖3、圖4 已分別標(biāo)出溜槽重心位置。
（1）圖1 中，溜槽傾角為0°，溜槽重心處X0（即重力力矩）=352.2mm；曲柄此時(shí)上翹25°，曲柄的拉力F 的力臂L=450cos25°=407.8mm。
（2）圖2 中，溜槽不帶料且處于50°，X0=326.5mm；曲柄此時(shí)下擺25°，曲柄壓力F 的力臂L=407.8mm。
（3）圖3 中，溜槽帶料且處于50°，X0=365.9mm；曲柄此時(shí)下擺25°，曲柄壓力F 的力臂L=407.8mm。
（4）圖4 中，溜槽帶料且處于25°，X0=0，曲柄此時(shí)為水平狀態(tài)，曲柄的拉力F 的力臂L 為450mm。
4.3 最大傾動(dòng)力矩計(jì)算
（1）當(dāng)溜槽為0°時(shí)，溜槽的轉(zhuǎn)矩M0 空=G 溜槽×X0 空=2020×0.3522=711.5kg·m
（2）當(dāng)溜槽不帶料擺動(dòng)到50°時(shí)，溜槽的轉(zhuǎn)矩M50 空=G 溜槽×X50 空=2020×0.3265=659.5kg·m
（3）當(dāng)溜槽帶料擺動(dòng)到50°時(shí)，溜槽的轉(zhuǎn)矩M50 空+料=（G 溜槽+G 料）×X50 料=2620×0.3659=958.7kg·m
（4）當(dāng)溜槽帶料擺動(dòng)到25°時(shí)，溜槽的轉(zhuǎn)矩M25 空+料=0
4.4 校核油缸系統(tǒng)壓力
（1）溜槽為0°時(shí)，曲柄上擺到25°，提升溜槽的力F 應(yīng)滿足：（F 為托圈重力與油缸拉力的合力）
F×L×cos25°=M0 空，F(xiàn)=M0 空/L·cos25°=711.5/0.4078=1756kg
托圈重量為3210kg，每根油缸出力為向上的拉力F 拉，通過(guò)計(jì)算得出：
F 拉=（3210+1756）/3=1655kg=16219N
油缸有桿腔油壓：P=F 拉/S，（假定無(wú)桿腔油壓為0，S 為油缸有桿腔活塞面積）
P=16219/（3.14×（0.12-0.0562）÷4）=3MPa
（2）溜槽為50°時(shí)，此時(shí)曲柄下擺25°，壓起溜槽的力F 應(yīng)滿足：
F ×L ×cos25°=M50 空+ 料，F(xiàn) =M50 空+ 料/L·cos25° =958.7/（450/1000）·cos25°=2367kg
托圈重量為3210kg，每根油缸出力為向上的拉力F 拉，通過(guò)計(jì)算得出：
F 拉=（3210-2367）/3=281kg=2753.8N
油缸有桿腔油壓：P=F 拉/S=2753.8/（3.14×（0.12-0.0562）÷4）=0.51MPa
（3）溜槽處于25°時(shí)，此時(shí)曲柄為水平狀態(tài)，提升溜槽的力F=0kg，即：油缸的拉力與托圈重量相等。
通過(guò)計(jì)算可得出每只油缸出力為拉力，F(xiàn) 拉=3210/3=1070kg=10486N
油缸有桿腔油壓：P =F 拉/（3.14 ×（0.12-0.0562）÷4）=1.95MPa
（4） 根據(jù)上述計(jì)算分析小結(jié)：（假定無(wú)桿腔油壓為0 的情況下）
a 溜槽為0°時(shí)（圖1），曲柄受向上的拉力F，油缸驅(qū)動(dòng)需克服拖圈重量與溜槽轉(zhuǎn)矩
每根油缸拉力F 拉最大，為1655kg，油缸有桿腔油壓P≥3Mpa。
b 溜槽為25°時(shí)（圖4），溜槽的轉(zhuǎn)矩為0，曲柄拉力F 為0，油缸只需帶動(dòng)拖圈重量
每根油缸拉力F 拉為1070kg，油缸有桿腔油壓P≥1.95Mpa。
c 溜槽處于0°～25°時(shí)，曲柄受向上的拉力F
每根油缸拉力F 拉滿足1070kg＜F拉＜1655kg，油壓P 需滿足1.95Mpa＜P＜3Mpa。
d 溜槽為50°時(shí)（圖3），曲柄受向下的壓力F，溜槽靠拖圈的重量壓起
每根油缸拉力F 拉最小，為281kg，油壓P≥0.51Mpa。
e 溜槽處于25°～50°時(shí)，曲柄受向下的壓力F
每根油缸拉力F 拉滿足： 281kg＜F拉＜1070kg； 油壓P 滿足： 0.51Mpa ＜＜1.95Mpa。
綜上所述，在理論情況下，爐頂液壓站系統(tǒng)壓力只需≥3Mpa，3 根油缸即可帶動(dòng)溜槽傾動(dòng)工作。但在生產(chǎn)過(guò)程中，還需考慮到各零部件之間的摩擦力、無(wú)桿腔油壓實(shí)際上不為0、油缸中活塞摩擦與系統(tǒng)液壓油中的氣泡等因素影響。本次爐頂液壓站系統(tǒng)壓力P 設(shè)計(jì)值為12Mpa，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試滿足傾動(dòng)要求。
在對(duì)溜槽傾動(dòng)調(diào)試過(guò)程中，得到以下數(shù)據(jù)：P=12Mpa 時(shí)，溜槽由0°→45°傾動(dòng)，全程耗時(shí)約8s；溜槽由45°→0°傾動(dòng)，全程耗時(shí)約12s。P=6Mpa 時(shí)，溜槽由0°→45°傾動(dòng)，全程耗時(shí)約15s；溜槽由45°→0°傾動(dòng)，全程耗時(shí)約25s。由調(diào)試結(jié)果得知：
a.P=12Mpa，溜槽由0°～45°傾動(dòng)時(shí)，傾動(dòng)速度約5.6°/s，已接近溜槽最大傾動(dòng)速度（6°/s）。
b.溜槽由小角度向大角度傾動(dòng)耗時(shí)較少，而此過(guò)程剛好是拖圈向下運(yùn)動(dòng)，油缸拉力是由大到小遞減（1655kg→281kg），因此油缸驅(qū)動(dòng)更為“輕松”；溜槽由大角度向小角度傾動(dòng)耗時(shí)較多，此過(guò)程拖圈是向上運(yùn)動(dòng)，油缸拉力是由小到大遞增（281kg→1655kg），因此油缸驅(qū)動(dòng)更為“費(fèi)力”。
c.當(dāng)系統(tǒng)壓力降為6MPa 時(shí)，3根油缸仍可帶動(dòng)溜槽傾動(dòng)，但傾動(dòng)速度卻已明顯變慢。至于當(dāng)系統(tǒng)壓力最小值Pmin 為多少，3根油缸剛好不能帶動(dòng)溜槽傾動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)并沒有安排調(diào)試，但通過(guò)上述計(jì)算與分析，此壓力Pmin 應(yīng)滿足：3Mpa＜Pmin＜6Mpa。
4.5 校核系統(tǒng)液壓油流量
在溜槽0～50°范圍內(nèi)油缸的行程為S=380mm，即溜槽平均每?jī)A動(dòng)1°時(shí)油缸行程為7.6mm。當(dāng)傾動(dòng)速度達(dá)到6°/s （最大）時(shí)，每根油缸所需的液壓油流量Q=V·S，其中：
V=7.6×6=45.6mm/s=4.56cm/s，V 表示油缸伸縮速度（cm/s）
S=3.14×502=7850mm2=78.5cm2，S 表示油缸無(wú)桿腔面積（cm2）
Q=V·S=4.56×78.5=358ml/s
則3 根油缸所需的液壓油流量Q=358×3=1074ml/s
系統(tǒng)液壓泵額定轉(zhuǎn)速為1480rpm，每轉(zhuǎn)的流量為58ml，計(jì)算液壓泵額定流量Q 額，得Q 額=Q·r=58×1480=85840ml/min=1430ml/s，滿足3 根油缸的最大液壓油流量（1074ml/s）。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文從布料器安裝、傳動(dòng)原理等幾方面介紹了此次3# 高爐爐頂布料器的更新改造，對(duì)溜槽傾動(dòng)所需液壓系統(tǒng)壓力與流量進(jìn)行校核，論證此傳動(dòng)方式的可行性。布料器于2017 年4 月13 日投入使用至今，冷卻水流量（6t/h）、氮?dú)饬髁浚?00～240m3/h）、布料器箱體內(nèi)部溫度（約30℃）、布料器電機(jī)電流（5.5A）、溜槽布料角度（24°～36°）等各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均在合理范圍，三油缸驅(qū)動(dòng)布料器在3# 高爐得以成功應(yīng)用。
參 考 文 獻(xiàn)：
[1]楊夏鋒，李洪濤，王彥良.攤鋪機(jī)螺旋布料器控制系統(tǒng)的改進(jìn)[J].工程機(jī)械與維修，2015（08）.
[2]呂利增，高艷.攤鋪機(jī)螺旋布料器軸承室的改進(jìn)[J].工程機(jī)械與維修，2012（06）.
[3]由相波，李國(guó)柱.變寬幅分隔型曲面碎石布料器研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2007（04）.