王林
（福建省三钢（集团）有限责任公司炼铁厂，福建 三明 365000）
摘 要：布料器是高炉炉顶的关键设备，它通过控制布料溜槽围绕高炉中心线的旋转和倾动，以完成高炉不同的布料工艺要求。文章主要介绍福建三钢炼铁厂3# 高炉炉顶布料器的更新改造，简析三油缸驱动布料器的传动原理，校核三油缸驱动的液压系统压力与流量。
关 键 词：布料器；改造；回转支承；三油缸；溜槽倾动
1 概述
福建三钢炼铁厂3# 高炉于2017 年2 月16 日开始进行改造性中修，在此之前3# 高炉炉顶一直使用钢丝绳传动结构布料器。该种布料器需每半年对钢丝绳进行更换，同时因为钢丝绳传动附带多个定滑轮与动滑轮组，造成布料器内部手动润滑点多、活动空间狭小，给日常维护带来不便。针对上述问题，此次3# 高炉改造性中修，炉顶布料器由钢丝绳传动改为三油缸驱动的结构形式。
2 设备安装
2.1 布料器安装尺寸变化
钢丝绳传动布料器重量16t，设备安装高度1670mm；三油缸驱动布料器重量20t，设备安装高度1770mm。
2.2 下波纹管安装高度变化
原下波纹管安装高度为468mm，本次改造中炉顶下密封阀及以上设备利旧，即下密封阀下法兰的标高（30.288m）不变，在保证布料器安装与下密封阀不干涉的情况下，下波纹管的安装高度加高至520mm，可伸缩量为±50mm，以适应高炉自由上涨。
2.3 炉喉封罩尺寸变化
因布料器安装高度加高100mm（1670mm→1770mm），下波纹管安装高度加高52mm（468mm→520mm），为保证设备安装，且在炉壳拐点标高（26.135m）不变的情况下，炉顶钢圈下标高需降低152mm，又因本次3# 高炉中修改造炉头封罩下口内径由Φ5480mm 改为Φ5180mm，封罩锥角由51° 调整为55.3°。
3 布料器传动原理
3.1 溜槽旋转运动
溜槽的旋转运动由减速电机通过联轴器经一级齿轮传动带动上回转支承外圈旋转，而旋转部件通过螺栓固定在上回转支承外圈上（回转支承内圈固定在箱体顶盖上），进而带动旋转部件围绕布料器中心线旋转，溜槽采用卡挂方式安装在旋转部件的下部随之旋转，从而实现环形布料工艺。
3.2 溜槽倾动运动
溜槽的上、下倾动由托圈的垂直运动决定。托圈由8 根垂直的导轨限位，导轨约束托圈只能上下“垂直平动”，托圈上安装了8 对导向轮与导轨配合。托圈的下部与下回转支承（注：下回转支承相当于一个能够承受较大倾翻力矩的轴承） 外圈通过螺栓固定，该轴承外圈只能随托圈上下垂直平动，而内圈必然同时与外圈上下平动。内圈固定着一个方形框架，当托圈垂直平动的时候，框架带动两个平行的曲柄绕耳轴摆动，耳轴的另一端与溜槽托架相连，溜槽安装在溜槽托架上，因此，水平旋转中的溜槽可以同时绕耳轴摆动。托圈的上下垂直平动由三根油缸通过连杆装置驱动，因此总结为：三根油缸带动拖圈上下运动，拖圈通过方形框架（与回转支承内圈固定）带动曲柄摆动，最后由曲柄带动溜槽倾动。
3.3 旋转与倾动运动合成
旋转部件的旋转运动与托圈的垂直升降运动通过下回转支承相连，实现布料溜槽既旋转又摆动的合成运动。旋转与摆动两个自由度任意组合，实现高炉各种布料工艺要求。
4 三油缸驱动系统压力与流量校核
4.1 初始参数
（1）布料溜槽长度：L=1800mm，曲柄长度：450mm
（2）布料溜槽倾动角度：0°～50°（实际工作角度：0°～45°）
（3）溜槽倾动速度为0°～6°/s
（4）中心喉管：φ500mm
（5）料流量：Q0=0.25m3/s（节流阀开到最大45°时）
（6）烧结矿堆比重（ρb）：1.7t/m3
（7）溜槽及托架重：G 溜槽=2020kg，托圈等上下运动部件的重量为3210kg
（8）炉顶液压站系统压力P：12Mpa；油缸缸径：100mm，杆径：56mm，行程：380mm
4.2 初始计算
4.2.1 溜槽上的料重：（以烧结矿的重量计算）
（1）中心喉管下料速度：V=Q0/F（F 为中心喉管排料面积）F=π0.252=0.196m2，V=0.25/0.196≈1.3m/s。
（2）溜槽有效长度上的料重：G 料=（L 料/V）*Q0ρb=（1.8/1.3）×0.25×1.7×1000≈600kg
4.2.2 溜槽重心确定
用SolidWorks（三维软件）画出溜槽外形，假定其材质均匀，可自动得出其重心坐标（X0，Y0），图1、图2、图3、图4 已分别标出溜槽重心位置。
（1）图1 中，溜槽倾角为0°，溜槽重心处X0（即重力力矩）=352.2mm；曲柄此时上翘25°，曲柄的拉力F 的力臂L=450cos25°=407.8mm。
（2）图2 中，溜槽不带料且处于50°，X0=326.5mm；曲柄此时下摆25°，曲柄压力F 的力臂L=407.8mm。
（3）图3 中，溜槽带料且处于50°，X0=365.9mm；曲柄此时下摆25°，曲柄压力F 的力臂L=407.8mm。
（4）图4 中，溜槽带料且处于25°，X0=0，曲柄此时为水平状态，曲柄的拉力F 的力臂L 为450mm。
4.3 最大倾动力矩计算
（1）当溜槽为0°时，溜槽的转矩M0 空=G 溜槽×X0 空=2020×0.3522=711.5kg·m
（2）当溜槽不带料摆动到50°时，溜槽的转矩M50 空=G 溜槽×X50 空=2020×0.3265=659.5kg·m
（3）当溜槽带料摆动到50°时，溜槽的转矩M50 空+料=（G 溜槽+G 料）×X50 料=2620×0.3659=958.7kg·m
（4）当溜槽带料摆动到25°时，溜槽的转矩M25 空+料=0
4.4 校核油缸系统压力
（1）溜槽为0°时，曲柄上摆到25°，提升溜槽的力F 应满足：（F 为托圈重力与油缸拉力的合力）
F×L×cos25°=M0 空，F=M0 空/L·cos25°=711.5/0.4078=1756kg
托圈重量为3210kg，每根油缸出力为向上的拉力F 拉，通过计算得出：
F 拉=（3210+1756）/3=1655kg=16219N
油缸有杆腔油压：P=F 拉/S，（假定无杆腔油压为0，S 为油缸有杆腔活塞面积）
P=16219/（3.14×（0.12-0.0562）÷4）=3MPa
（2）溜槽为50°时，此时曲柄下摆25°，压起溜槽的力F 应满足：
F ×L ×cos25°=M50 空+ 料，F =M50 空+ 料/L·cos25° =958.7/（450/1000）·cos25°=2367kg
托圈重量为3210kg，每根油缸出力为向上的拉力F 拉，通过计算得出：
F 拉=（3210-2367）/3=281kg=2753.8N
油缸有杆腔油压：P=F 拉/S=2753.8/（3.14×（0.12-0.0562）÷4）=0.51MPa
（3）溜槽处于25°时，此时曲柄为水平状态，提升溜槽的力F=0kg，即：油缸的拉力与托圈重量相等。
通过计算可得出每只油缸出力为拉力，F 拉=3210/3=1070kg=10486N
油缸有杆腔油压：P =F 拉/（3.14 ×（0.12-0.0562）÷4）=1.95MPa
（4） 根据上述计算分析小结：（假定无杆腔油压为0 的情况下）
a 溜槽为0°时（图1），曲柄受向上的拉力F，油缸驱动需克服拖圈重量与溜槽转矩
每根油缸拉力F 拉最大，为1655kg，油缸有杆腔油压P≥3Mpa。
b 溜槽为25°时（图4），溜槽的转矩为0，曲柄拉力F 为0，油缸只需带动拖圈重量
每根油缸拉力F 拉为1070kg，油缸有杆腔油压P≥1.95Mpa。
c 溜槽处于0°～25°时，曲柄受向上的拉力F
每根油缸拉力F 拉满足1070kg＜F拉＜1655kg，油压P 需满足1.95Mpa＜P＜3Mpa。
d 溜槽为50°时（图3），曲柄受向下的压力F，溜槽靠拖圈的重量压起
每根油缸拉力F 拉最小，为281kg，油压P≥0.51Mpa。
e 溜槽处于25°～50°时，曲柄受向下的压力F
每根油缸拉力F 拉满足： 281kg＜F拉＜1070kg； 油压P 满足： 0.51Mpa ＜＜1.95Mpa。
综上所述，在理论情况下，炉顶液压站系统压力只需≥3Mpa，3 根油缸即可带动溜槽倾动工作。但在生产过程中，还需考虑到各零部件之间的摩擦力、无杆腔油压实际上不为0、油缸中活塞摩擦与系统液压油中的气泡等因素影响。本次炉顶液压站系统压力P 设计值为12Mpa，经现场调试满足倾动要求。
在对溜槽倾动调试过程中，得到以下数据：P=12Mpa 时，溜槽由0°→45°倾动，全程耗时约8s；溜槽由45°→0°倾动，全程耗时约12s。P=6Mpa 时，溜槽由0°→45°倾动，全程耗时约15s；溜槽由45°→0°倾动，全程耗时约25s。由调试结果得知：
a.P=12Mpa，溜槽由0°～45°倾动时，倾动速度约5.6°/s，已接近溜槽最大倾动速度（6°/s）。
b.溜槽由小角度向大角度倾动耗时较少，而此过程刚好是拖圈向下运动，油缸拉力是由大到小递减（1655kg→281kg），因此油缸驱动更为“轻松”；溜槽由大角度向小角度倾动耗时较多，此过程拖圈是向上运动，油缸拉力是由小到大递增（281kg→1655kg），因此油缸驱动更为“费力”。
c.当系统压力降为6MPa 时，3根油缸仍可带动溜槽倾动，但倾动速度却已明显变慢。至于当系统压力最小值Pmin 为多少，3根油缸刚好不能带动溜槽倾动，现场并没有安排调试，但通过上述计算与分析，此压力Pmin 应满足：3Mpa＜Pmin＜6Mpa。
4.5 校核系统液压油流量
在溜槽0～50°范围内油缸的行程为S=380mm，即溜槽平均每倾动1°时油缸行程为7.6mm。当倾动速度达到6°/s （最大）时，每根油缸所需的液压油流量Q=V·S，其中：
V=7.6×6=45.6mm/s=4.56cm/s，V 表示油缸伸缩速度（cm/s）
S=3.14×502=7850mm2=78.5cm2，S 表示油缸无杆腔面积（cm2）
Q=V·S=4.56×78.5=358ml/s
则3 根油缸所需的液压油流量Q=358×3=1074ml/s
系统液压泵额定转速为1480rpm，每转的流量为58ml，计算液压泵额定流量Q 额，得Q 额=Q·r=58×1480=85840ml/min=1430ml/s，满足3 根油缸的最大液压油流量（1074ml/s）。
5 结束语
本文从布料器安装、传动原理等几方面介绍了此次3# 高炉炉顶布料器的更新改造，对溜槽倾动所需液压系统压力与流量进行校核，论证此传动方式的可行性。布料器于2017 年4 月13 日投入使用至今，冷却水流量（6t/h）、氮气流量（200～240m3/h）、布料器箱体内部温度（约30℃）、布料器电机电流（5.5A）、溜槽布料角度（24°～36°）等各项运行参数均在合理范围，三油缸驱动布料器在3# 高炉得以成功应用。
参 考 文 献：
[1]杨夏锋，李洪涛，王彦良.摊铺机螺旋布料器控制系统的改进[J].工程机械与维修，2015（08）.
[2]吕利增，高艳.摊铺机螺旋布料器轴承室的改进[J].工程机械与维修，2012（06）.
[3]由相波，李国柱.变宽幅分隔型曲面碎石布料器研究[J].筑路机械与施工机械化，2007（04）.