1.绪论
在高炉炼铁生产过程中,开铁口机是关键设备之一。“开铁口机的主要作用是钻开由泥炮封堵好的铁口,放出铁水[22]”,它的可靠工作直接影响到高炉炼铁的正常进行。液压冲击器是开铁口机的关键设备之一。课题来源于实际生产,针对目前所使用的冲击器设备主要依赖进口,成本高,要件损坏后更换周期长等缺点。在研究奥地利BBG公司的HS571-GHN型液压凿岩机的基础上,开发新型的冲击器设备。自由模态只能对液压冲击器的动态特性有总体的了解。液压冲击器的边界条件对结构的模态振型和频率有很大的影响。针对冲击器的机体模态的分析应当考虑冲击器工作时的实际安装状态,这样才能得到相对较准确且能反映实际情况的的模态分析结果[24]。液压冲击器是通过冲击虹体上的四个螺栓与幵铁口机的外围设备连接的,约束模态分析时,约束液压冲击器有限元模型的冲击虹体螺栓安装孔周围的节点的六个自由度。HS571-GHN型液压冲击器冲击运动通过液压冲击机构(由冲击虹体、冲击活塞、换向阀等组成)实现的。液压冲击器的冲击机构对液压冲击器的工作性能影响很大,下面详细介绍HS571-GHN型液压冲击器的冲击机构工作原理。HS571-GHN型液压冲击器采用冲击活塞前后腔液压油压力高低交替变化的控制方式,以下简介HS571-GHN型液压冲击器在各个运动时期内冲击机构的液压系统工作原理。
(1)回程时,冲击活塞运动规律
(1.1)当高压油进入换向阀阀芯中,因为换向阀阀芯的台阶A面的面积大于B面的面积,油压推动换向阀阀芯向左移动,这时换向阀上的孔2和孔3相通,高压油通过孔2和孔3进入冲击活塞左作用面,这时油压推动冲击活塞向右运动。(1.2)当冲击活塞运动到一定位置时,如图2.4所示,此时,高压油通过信号油孔1,促使换向阀的阀芯受力发生变化,高压油油压作用于A、B、C面上,同时,由于B面的面积和C面的面积之和大于A面的面积,换向阀阀芯在液压油推动下,开始向右运动。此时,油孔2和油孔3依然相通,高压油进入冲击活塞的左作用面,冲击活塞依然向右运动。 (2)冲程时,冲击活塞运动规律(2.1)当冲击活塞运动到最右端时,此时,由于阀芯的运动,孔3和孔4相通,高压油进入冲击活塞的右端,冲击活塞受力向左,冲击活塞开始向左运动, 液压冲击器中的冲击机构是用于实现冲击的核心部件,冲击机构主要包括冲击活塞、冲击虹体、蓄能器等主要零部件。下面对冲击机构主要零部件的结构参数设计进行完成了对开铁口机液压冲击器的动态特性分析研究。对冲击器进行有限元建模,对其进行模态分析和瞬态响应分析,通过模态分析结果研究了冲击器的振动特性,并且对如何提高液压冲击器的刚性进行了探讨?,通过瞬态分析了解了冲击器在冲击瞬间的动态特性的变化。简要说明。课题的研究在消化吸收BBG开铁口机冲击器的基础上,对开铁口机液压冲击器进行计算机设计和仿真工作,研究对开铁口机液压冲击器的冲击性能的影响因素,为后续产品的设计和改进提供参考。课题主要研究内容包括:
(1)研究HS571-GHN型液压冲击器的冲击机构工作原理。对开铁口机液压冲击器的主要零部件参数设计进行研究。
(2)对开铁口机液压冲击器的结构动态特性进行研究,对液压冲击器进行模态分析和瞬态响应分析,求解冲击器各阶模态振型和相对应的激振频率,以及冲击器在冲击过程中的位移、速度和加速度的变化。在以上基础上分析开铁口机液压冲击器的动态特性。
(3)对幵铁口机液压冲击器进行性能仿真分析,推导冲击活塞的运动学仿真理论计算公式,研究冲击器的油液流量与主要性能参数之间的关系;同时对冲击活塞与紅体间隙和油液温升对冲击性能的影响进行研究。
(4)对幵铁口机液压冲击器的结构进行改进设计,完成对液压冲击器的总体设计和各个关键零部件的设计。目前,国内开铁口机液压冲击器成熟产品多为国外产品。本文研究的意义是为冲击器的结构、参数设计奠定基础,在消化吸收国外现有设备的基础上,借助于机械设计理论、计算机仿真等,开发新型的液压冲击器设备,推动液压冲击器国产化。
3开铁口机液压冲击器动态特性仿真研究…………………..19
3.1开铁口机液压冲击器有限元模型建立……………19
3.2开铁口机液压冲击器模态分析……………27
3.3幵铁口机液压冲击器瞬态响应分析……………37
3.3.1瞬态响应分析理论……………37
3.3.2开铁口机液压冲击器瞬态响应结果与分析……………39
3.4 本章……………42
4开铁口机液压冲击器性能仿真研究……………43
4.1开铁口机液压冲击器冲击活塞运动学仿真研究……………43
4.2开铁口机液压冲击器冲击活塞与缸体间隙与油液温升影响研究……………50
4.3本章小结 ……………54
5开铁口机液压冲击器结构设计……………55
5.1液压冲击器结构设计……………55
5.1.1新型液压冲击器总体设计……………55
5.1.2新型液压冲击器关键零部件设计……………56
5.2本章小结……………60
结论
论文主要研究内容和取得结论如下:
(1)在分析BBG公司HS571-GHN液压冲击器工作原理基础上,刘主要零部件结构参数进行了设计研究,给出了相关设计公式;
(2)对液压冲击器动态特性进行了研究。建立了 HS571-GHN型液压冲击器三维模型和有限元模型,对液压冲击器进行了模态分析和瞬态响应分析。模态分析研究结果显示:液压冲击器结构模态振型主要表现为局部模态振型,且激振频率较高,液压冲击器发生大规模共振几率较小,同时,液压冲击器机头和机尾部分振动响应明显,刚性较弱,可以通过增加各零部件连接和增加对机头和机尾部分固支来达到提高液压冲击器刚性的目的;瞬态响应分析结果显示:液压冲击器在冲击时刻结构的位移、速度、加速度变化剧烈,可见,频繁冲击极易引起机体零部件疲劳损坏,所以液压冲击器机体选材应该选择抗冲击和抗疲劳性较好的軔料,特别是冲击缸体和机头部位的选材。
(3)对液压冲击器进行了性能仿真研究,包括冲击活塞运动学仿真研究和冲击活塞与缸体间隙和油液温升影响研究。研究结果显示:液压冲击器系统流量的增加有助于提高液压冲击器的冲击能,冲击频率,但是,冲击效率会降低。冲击活塞的运动学仿真的意义还在于在设计初期,借助冲击活塞仿真理论公式,通过性能参数(冲击能,冲击频率)可以确定部分结构参数,这些理论结构参数,可以指导液压冲击器设计;冲击活塞与缸体间隙和油液温升主要影响泄露流量,若设定系统温升最大值为85°C,则冲击活塞与缸体间隙最好为0.02-0.07mm,这样不会引起太大流量泄露和油液温升。
(4)在刘HS571-GHN液压冲击器参数与性能研究基础上,对新型液压冲击器结构进行了改进设计。以上结论是在理论分析的基础上获得,进一步验证需要后续试验工作。冲击器在工业生产中有着重要作用,特别是炼铁炉前的开铁口机用液压冲击器,它是重要的炉前设备。随着计算机技术发展,液压冲击器的设计开始借助于计算机技术, 在计算机虚拟环境下,实现对液压冲击器结构设计,虚拟仿真,计算机仿真技术不断融入液压冲击器设计,将有效推动我国液压冲击器发展。
参考文献
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