陳林

摘 要：本文介紹的龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)是一套自動(dòng)化的應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)的裝配設(shè)備。此自動(dòng)化裝配設(shè)備主要由龍門(mén)架主體裝配、小車(chē)裝配、橫移裝置、橫移油缸、提升油缸、軸承座裝配、吊具裝配、鋼包蓋裝配、事故吊具、樓梯、維修平臺(tái)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等模塊組成。運(yùn)用三維建模軟件Solidworks繪制出各個(gè)分部件，再組合成總裝配體。確定了總體方案，關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)及其主要設(shè)計(jì)參數(shù)，分析了各油缸的行程及選型，并利用軟件對(duì)龍門(mén)架進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)，該龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)目前已在湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司二煉鋼進(jìn)行了應(yīng)用，并獲得客戶好評(píng)。

關(guān)鍵詞：龍門(mén)式；自動(dòng)化操作；有限元分析；三維建模設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.214

0 前言

近年來(lái)，由于金融危機(jī)的發(fā)生，整個(gè)鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩，市場(chǎng)需求減少。大型鋼鐵企業(yè)利潤(rùn)逐漸減少，甚至出現(xiàn)逐年虧損的局面。如何提高操作水平、減少鋼包澆注過(guò)程溫降（降低出鋼溫度），成為各個(gè)鋼企近來(lái)研究的重要課題。 鋼包作為煉鋼工序與連鑄工序之間的盛鋼容器，其在生產(chǎn)周轉(zhuǎn)過(guò)程的熱狀態(tài)，直接影響出鋼和盛鋼過(guò)程中鋼水溫度的變化。鋼水溫度波動(dòng)對(duì)連鑄澆鑄的影響非常大，并且影響整個(gè)生產(chǎn)節(jié)奏。鋼包在周轉(zhuǎn)使用過(guò)程中加上鋼包蓋后，對(duì)于鋼包的散熱起到很好的保護(hù)作用，也使鋼包周轉(zhuǎn)過(guò)程中的熱狀態(tài)更加趨于穩(wěn)定，為準(zhǔn)確控制鋼包溫度和溫降創(chuàng)造條件，同時(shí)也進(jìn)一步降低了鋼包在周轉(zhuǎn)過(guò)程的熱損失。

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司二煉鋼為降成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，將在LF工位及VD工位安裝鋼包加蓋系統(tǒng)。 為此，根據(jù)其現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)了一種龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)。

1 龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

1.1 鋼包加蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

鋼包加蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，將遵循三個(gè)原則：安全可靠，開(kāi)合方便，簡(jiǎn)單實(shí)用。

1.2 鋼包加蓋機(jī)構(gòu)所要實(shí)現(xiàn)的要求

（1）實(shí)現(xiàn)鋼包加蓋：當(dāng)鋼水包落入罐座時(shí)，操作人員通過(guò)控制按鈕迅速將包蓋落下并蓋上；

（2）實(shí)現(xiàn)鋼包揭蓋：當(dāng)鋼包需要揭蓋時(shí)，操作人員通過(guò)控制按鈕可迅速將包蓋揭開(kāi)；

1.3 龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)總體模型及組成

（1）設(shè)計(jì)完成后的龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)整體模型如圖1所示（見(jiàn)附圖）。

（2）龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)組成及參數(shù)：龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)主要由龍門(mén)架主體裝配、小車(chē)裝配、橫移裝置、橫移油缸、提升油缸、軸承座裝配、吊具裝配、鋼包蓋裝配、事故吊具、樓梯、維修平臺(tái)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等模塊組成。

設(shè)備主要參數(shù)：提升距離1米、橫移距離1米（平行于龍門(mén)架方向）、橫移距離0.5米（垂直于龍門(mén)架方向）、龍門(mén)架寬度7米、龍門(mén)架高度6.94米。

（3）液壓控制系統(tǒng)：鋼包加蓋液壓系統(tǒng)采用開(kāi)式回路，多負(fù)載并聯(lián)結(jié)構(gòu)，液壓缸的速度控制在上下行30mm/s，泵選用28排量的軸向柱塞泵，電機(jī)22KW。

2 關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 小車(chē)裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）在整個(gè)龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)中，小車(chē)裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。因?yàn)楸緳C(jī)構(gòu)中，所有動(dòng)作包括前后、左右及提升都集中通過(guò)小車(chē)的結(jié)構(gòu)來(lái)滿足要求。這樣同時(shí)可以減小整個(gè)結(jié)構(gòu)并使布置更加合理。小車(chē)裝配主要由車(chē)輪軸、軸套、車(chē)輪、軸承座、小車(chē)架、銅滑條等組成。小車(chē)裝配整體三維模型如圖2所示（見(jiàn)附圖）。

（2）車(chē)輪軸與軸承之間采用緊配合，車(chē)輪軸與軸承座之間留0.5mm間隙以防車(chē)輪因受力后卡阻。安裝橫移油缸位置下部采用加強(qiáng)筋，前端兩側(cè)布置配重塊，以保車(chē)體平衡性能。

2.2 吊具裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）吊具裝配在整個(gè)龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)中起著承上啟下的作用。對(duì)上需連接提升油缸，對(duì)下連接鋼包蓋。而且揭蓋與取蓋動(dòng)作能否順利實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于吊具與包蓋之間的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。吊具裝配主要由吊具支撐盤(pán)、吊具梁、吊具導(dǎo)軸、吊具鉤套、吊具擋環(huán)、提升油缸銷(xiāo)軸等組成。吊具裝配整體三維模型圖3所示（見(jiàn)附圖）。

（2）吊具裝配中的三個(gè)吊鉤分布在直徑為2400mm的圓周上，與鋼包蓋上的吊環(huán)相配，呈120度布置。吊鉤總高522mm。為方便吊具在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)方向及安裝，吊鉤的設(shè)計(jì)采用活動(dòng)形式。

3 油缸行程及選型

橫移油缸的參數(shù)：活塞直徑D=80mm，活塞桿直徑d=45mm，行程S=500mm。P=250bar，V=30mm/s。

提升油缸的參數(shù)：活塞直徑D=140mm，活塞桿直徑d=100mm，行程S=1000mm。P=250bar，V=30mm/s。

當(dāng)橫移油缸無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，根據(jù)公式：

當(dāng)提升油缸無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，根據(jù)公式：

綜上計(jì)算：龍門(mén)式油缸所需流量：

Q=2Q1+Q2=2×9+28=46L/min

4 液壓系統(tǒng)電機(jī)選型、液壓泵閥選型

4.1 電機(jī)選型

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，每個(gè)液壓站需對(duì)應(yīng)三個(gè)工位的鋼包加蓋操作。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)與客戶當(dāng)面溝通，客戶告知每個(gè)液壓站連接工作裝置同時(shí)工作的不會(huì)超過(guò)兩臺(tái)，每個(gè)負(fù)載動(dòng)作都是單動(dòng)，不存在聯(lián)動(dòng)的情況。工作時(shí)油缸的流量不會(huì)出現(xiàn)分流的情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)客戶的實(shí)際要求作出選型。

液壓站：P=140bar，Q=Q龍+Q懸=28+28=56L/min

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，電機(jī)功率，為了保證功率儲(chǔ)備及散熱的功率損耗，P總=1.3P功=19Kw，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇22Kw的電機(jī)。

4.2 液壓泵閥選型

根據(jù)上述計(jì)算，主泵和主閥通過(guò)具體的數(shù)據(jù)匹配選出，為系統(tǒng)合理的提供動(dòng)力和控制，主泵選擇斜軸式柱塞泵，主閥選擇華德液壓的標(biāo)準(zhǔn)的電磁閥，將控制閥集中在閥塊上面，這樣利于集中布置和維修。

4.3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

因?yàn)樵撘簤合到y(tǒng)動(dòng)作少，無(wú)需電比例來(lái)控制閥的開(kāi)口，選擇開(kāi)關(guān)量來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的開(kāi)合，電控部分將采用模擬量來(lái)控制，并配有操作臺(tái)，操作臺(tái)上面將布置各個(gè)動(dòng)作順序的開(kāi)關(guān)按鈕，并會(huì)有堵塞和低液位報(bào)警的燈，一旦系統(tǒng)油液受到污染，回油過(guò)濾器的濾芯將會(huì)因大顆粒污染物而堵塞，產(chǎn)生回油壓差，進(jìn)而壓差報(bào)警啟動(dòng)，提示應(yīng)該對(duì)油液進(jìn)行跟換或者精過(guò)濾。

5 龍門(mén)架主體受力分析

5.1 龍門(mén)架基本參數(shù)

龍門(mén)架長(zhǎng)7000mm，高6940mm，寬1350mm，總重3.52噸。承受力總重為6噸。

5.2 受力模擬分析

（1）利用三維軟件Solidworks對(duì)龍門(mén)架進(jìn)行受力分析。模擬出其最大變形范圍，確定其結(jié)構(gòu)是否合理，能否承受總重為6噸的力。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，如圖4所示（見(jiàn)附圖）。

（2）通過(guò)分析，圖中紅色區(qū)域?yàn)辇堥T(mén)架最薄弱部位，變形為1.067mm，而最小變形處為圖中綠色區(qū)域，變形為0.001mm。

（3）該龍門(mén)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在承受總重為6噸力的情況下最大變形才1.067mm。完全符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

該龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，已應(yīng)用于湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司二煉鋼。經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，整體結(jié)構(gòu)牢固可靠，機(jī)構(gòu)動(dòng)作順暢，自動(dòng)化程度高。為企業(yè)節(jié)約噸鋼成本10元左右。

（1）本文通過(guò)鋼包加蓋所要實(shí)現(xiàn)的要求及特點(diǎn)，確定了最佳的總體設(shè)計(jì)方案，滿足特定的工藝和運(yùn)行要求；

（2）合理計(jì)算并驗(yàn)證了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，尤其對(duì)龍門(mén)架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，完全能滿足設(shè)計(jì)要求；

（3）這種龍門(mén)式鋼包加蓋機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，自動(dòng)化程度高，為鋼鐵企業(yè)降本增效發(fā)揮巨大作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]何平.鋼包全程扣蓋保溫節(jié)能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[M].北京：鋼鐵研究總院冶金工藝研究所，2012.

[2]劉繼明等.一種鋼包加蓋裝置[M].山東：山東省新紀(jì)元冶金設(shè)備有限公司，2014.