渣罐运输车工作机构滑道的设计方法研究

新设备　新技术　新工艺渣罐运输车工作机构滑道的设计方法研究①何清华②　杨忠炯(中南大学　湖南长沙410083)摘要　分析了渣罐运输车工作机构滑道的常规设计方法及缺陷,通过研究渣罐销轴在渣罐运输车滑道中的运动过程,得出其运动规律和运动轨迹的数学表达式,为多段圆弧滑道的设计找到了理论依据,从而提出了与常规设计方法不同的一种全新的设计理念。

关键词　渣罐运输车　运动轨迹　一段圆弧滑道　多段圆弧滑道　设计方法中图分类号　T F 321.7 文献标识码　AStudy on the desi gn methodsfor the chute of du mper ar m of slag pot tran sfercarH e Q inghua Yang Zhongji ong(Cen tral South U n iversity )ABSTRACT Summ arizes the tranditi onal design m ethods fo r the chute of dumper ar m of slag -po t tran sfercar ,and po in ts out its defects.A fter studying the mo ti on course of slag -po t p in on the chute of dumper ar m of slag -po t tran sfercar ,the law and m athe m atical fo r m ula of itsmo ti on trace no t on ly be obtained ,but the foundati on of the design of m ulti p le -p iece arc chute als o be gained .A ne w k ind of design m ethod to design the m ulti p le -p ieces arc chute of dumper ar m of slag -po t tran sfercar is put fo r wo rd ,w h ich is differen t abs o lutely from the tranditi onal design m ethods fo r the m ulti p le -p ieces arc chute of dumper ar m of slag -po t tran sfercar.KE Y WOR D S Slag -po t tran sfercar M o ti on trace O ne -p iece arc chute M ulti p le -p ieces arc chute　D esign m ethod1　概述轮式渣罐运输车能够将装有高温融熔状炉渣的渣罐从地面举升到自身工作平台上,运往卸渣场进行卸渣,然后返回炼钢车间,将渣罐放至炼钢炉下,进入下一轮工作循环。

它具有装载、运输和卸载等功能,因而在国内外钢铁企业得到了较为广泛的应用。

太钢、宝钢、天津钢管公司、宝钢冶金建设公司等企业先后从国外引进了轮式渣罐运输车。

轮式渣罐车从引进到国产,已经走过了三十多年的历程,就轮式渣罐运输车结构而言,形成了以美国、德国、日本有关公司生产的渣罐运输车为代表的三种结构迥异的渣罐运输车,这三种不同类型的轮式渣罐运输车结构差异较大,其滑道的结构型式差异也较大。

2　滑道的结构型式在渣罐举升过程中,盛有炉渣的渣罐其销耳在工作臂(机构)销轴滑道中产生滑转或滑移,而销轴在滑道中滑转或滑移的平稳性将直接影响—44—To tal N o 1136D ece m eber 2002 冶　金　设　备M ETALLU R G I CAL EQU IP M EN T 总第136期2002年12月第6期①②作者简介:何清华,男,1946年出生,毕业于中南大学,硕士,教授,博士生导师,获国家和省部级奖励十余项,发明专利2项,实用新型专利9项。

重点研究方向:特种机器人机电液一体化技术,机械工程专业注:此项目获中国有色金属工业总公司科技进步二等奖渣罐在举升过程中的平稳性,因此滑道的结构应受到设计者的高度重视。

纵观现有引进和国产渣罐车,其滑道有一段圆弧滑道和多段圆弧滑道两种结构型式。

2.1　一段圆弧滑道图1为一段圆弧滑道渣罐运动简图,这种结构型式的滑道仅由一段圆弧构成。

在渣罐举升过程中即在工作机构绕工作机构与车架铰接点O 点转动时,渣罐销轴在该滑道内只能产生滑转运动,不产生滑移运动即渣罐只绕其自身销轴轴心A点滑转。

具有这种一段圆弧滑道的渣罐运输车以美国KR ESS、RO YAL公司、德国KAM A G公司生产的轮式渣罐运输车为主要代表。

一段圆弧滑道渣罐运输车的特点:1)在举升过程中渣罐始终保持垂直稳定的运输状态,渣罐内的炉渣不会因为渣罐的滑转而飞溅出来出现泼渣现象,因此具有这种结构型式滑道的渣罐运输车装载过程运动平稳性好;2)这种一段圆弧滑道开口较小,对司机倒车对罐技术有较高的要求。

图1　一段圆弧滑道渣罐运动简图2.2　多段圆弧滑道图2为多段圆弧滑道渣罐运动简图,这种结构型式的渣罐运输车工作机构滑道由多段圆弧组成。

在工作机构绕工作机构与车架铰接点O点转动时,渣罐销轴理论上不产生滑转,销轴克服销耳与滑道之间的滑动摩擦阻力,销轴在滑道表面产生滑移,完成平稳缓慢的下滑运动,直到终点位置即渣罐销轴轴心从A点滑到B点,A～B 之间的距离由渣罐车工作平台离地高度、工作机构结构参数及渣罐自身结构参数所决定。

日产渣罐运输车和国产渣罐运输车其工作机构滑道均由多段圆弧组成。

具有这种结构型式滑道的渣罐运输车有如下特点:1)有较长的工作臂,装罐距离大于一段圆弧滑道渣罐车的装罐距离,有较宽开口的工作臂可以从较高的渣罐工作平台上装卸渣罐,有利于司机倒车对罐;2)渣罐在举升过程中,由于渣罐销轴在滑道上产生了滑移运动,渣罐的运动平稳性不如一段圆弧滑道渣罐车,这是因为在滑移过程中,由于渣罐的惯性作用,渣罐在滑道上往往会产生一定的摆动和冲击,从而造成渣罐的运动平稳性不如一段圆弧滑道渣罐车。

图2　多段圆弧滑道渣罐运动简图3　滑道的常规设计方法分析一段圆弧滑道的设计较为简单,滑道的曲率半径理论上为渣罐销耳半径,本文将不作专门的研究。

而多段圆弧滑道的设计较为复杂,其常规设计方法有两种:1)作图法,根据渣罐运输车工作机构运动轨迹,粗略画出渣罐销轴轴心运动轨迹曲线,最后再进行圆整;2)类比法,即参照国外渣罐运输车工作机构滑道形状进行类比设计。

然而这两种设计方法均没有进行理论分析计算,缺乏相应的理论依据,并且设计精度不高。

这是因为采用作图法设计滑道,工作机构运动轨迹能精确作出,但渣罐在运动中的工作机构滑道上的位置的精确确定却十分困难,这样渣罐位置确定的不准确性必然导致滑道设计精度不高;另一种类比设计方法本身就是一种模糊设计方法,采用这种方法所设计的滑道其精度是可想而知的。

—54—何清华等:渣罐运输车工作机构滑道的设计方法研究 2002年12月第6期4　一种全新的滑道设计方法——计算法由于滑道常规设计方法的设计精度不高,缺乏相应的理论依据,本文将通过分析渣罐在渣罐运输车滑道中的运动过程,得出其运动规律和运动轨迹的数学表达式,为多段圆弧滑道设计找到了理论依据,从而提出了与常规设计方法不同的一种全新的设计理念。

4.1　对多段圆弧滑道的要求多段圆弧滑道的设计应以渣罐运动平稳和满足工作需要为目的。

当大臂收回时,渣罐应放至渣罐运输车工作平台上,在渣罐运动过程中,渣罐底部不应与车体发生干涉;且渣罐销轴与滑道间应产生相对滑动而不产生滚动,滑动过程要尽可能平稳,因此多段圆弧滑道曲线就是渣罐销轴轴心在举升过程中的运动轨迹的平行线,这样只要求出了渣罐销轴轴心的运动轨迹,作该曲线的平行线即可得到滑道曲线,而这两条平行曲线间的距离就是渣罐销轴的半径,反之亦然。

4.2　多段圆弧滑道的分析研究4.2.1　渣罐销轴的受力分析图3　渣罐销轴运动受力简图渣罐销轴在滑道上平稳下滑过程中,受力状况如图3所示,所受到的力有自身重力、滑道作用于销轴的作用力N 、滑道与销轴间的滑动摩擦力f 。

为便于分析计算,假设渣罐左右销轴在工作机构左右滑道上滑行速度相同(作该假设是有一定道理的,因为若渣罐左右销轴在工作机构左右滑道上滑行速度不相同,而渣罐销轴轴肩与滑道间的间隙是有限的,渣罐的下滑过程必然受到干涉,会出现左右销轴轮流下滑的现象,这种下滑过程的不平稳性易使渣罐内的高温炉渣飞溅出来,这种状况非常危险,飞溅出来的高温炉渣有可能造成车毁人亡的惨剧发生。

这不是设计者所希望的,这也是滑道设计所不允许的。

)渣罐要平稳地下滑,必须满足在滑道上任何一点,渣罐重量在滑道曲线该点的切线方向上的分力大于渣罐销轴与滑道间的滑动摩擦力即:m g sin Α≥Λm g co s ΑΛ≤tg Α(1)在下滑的临界状态有Λ=tg Α(2)式中　m ——渣罐质量kg ; Λ——滑道与渣罐销轴间滑动摩擦系数; Α——滑道曲线在点P (x ,y )切线的倾角; g ——重力加速度m s 2。

4.2.2　多段圆弧滑道曲线的数学表达式如图3所示,设渣罐销轴下滑部分的滑道曲线方程为y =f (x ),根据导数的几何意义,函数y=f (x )在x 处的导数f ’(x )表示曲线y =f (x )在点P (x ,y )处的切线的斜率,即f ’(x )=tg Α(3)其中Α是该切线的倾角比较式(2)和式(3),可以得到y ’=f ’(x )=Λ(4)将等式(4)两端同时积分∫y ’d y =∫f ’(x )d x =∫Λd x由于在滑道材质和渣罐销轴材料确定后,两者之间的滑动摩擦系数是一个确定的常数,因此从上式可得到:y =Λx +C (5)式中C ——与渣罐结构参数及工作机构结构参数及其运动起始位置和终止位置等参数有关的常数。

式(5)就是以工作机构与车架铰接点O 点为坐标原点的滑道曲线方程的数学表达式。

4.2.3滑道材料的选择滑道作为渣罐销轴的承载件,对其材质的基本要求:1)滑道具有足够的强度。

装有炉渣的渣罐重达35～50t ,即使是空罐也重达20t ,因此作为渣罐—64—总第136期 冶　金　设　备 2002年12月第6期承载件——滑道必须具有足够的强度,使滑道具有足够的承载能力;2)滑道应具有足够的刚度。

也就是说滑道材料在工作过程中的变形不应超过正常工作所允许的极限,使滑道具有足够的抵抗变形的能力;3)滑道应具有一定的耐磨性,渣罐销轴与滑道间有相对运动,故滑道的磨损是不可避免的,这就要求滑道材料具有一定的耐磨性。