王林
（福建省三鋼（集團）有限責任公司煉鐵廠，福建 三明 365000）
摘 要：布料器是高爐爐頂的關鍵設備，它通過控制布料溜槽圍繞高爐中心線的旋轉和傾動，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，簡析三油缸驅動布料器的傳動原理，校核三油缸驅動的液壓系統壓力與流量。
關 鍵 詞：布料器；改造；回轉支承；三油缸；溜槽傾動
1 概述
福建三鋼煉鐵廠3# 高爐于2017 年2 月16 日開始進行改造性中修，在此之前3# 高爐爐頂一直使用鋼絲繩傳動結構布料器。該種布料器需每半年對鋼絲繩進行更換，同時因為鋼絲繩傳動附帶多個定滑輪與動滑輪組，造成布料器內部手動潤滑點多、活動空間狹小，給日常維護帶來不便。針對上述問題，此次3# 高爐改造性中修，爐頂布料器由鋼絲繩傳動改為三油缸驅動的結構形式。
2 設備安裝
2.1 布料器安裝尺寸變化
鋼絲繩傳動布料器重量16t，設備安裝高度1670mm；三油缸驅動布料器重量20t，設備安裝高度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備利舊，即下密封閥下法蘭的標高（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），為保證設備安裝，且在爐殼拐點標高（26.135m）不變的情況下，爐頂鋼圈下標高需降低152mm，又因本次3# 高爐中修改造爐頭封罩下口內徑由Φ5480mm 改為Φ5180mm，封罩錐角由51° 調整為55.3°。
3 布料器傳動原理
3.1 溜槽旋轉運動
溜槽的旋轉運動由減速電機通過聯軸器經一級齒輪傳動帶動上回轉支承外圈旋轉，而旋轉部件通過螺栓固定在上回轉支承外圈上（回轉支承內圈固定在箱體頂蓋上），進而帶動旋轉部件圍繞布料器中心線旋轉，溜槽采用卡掛方式安裝在旋轉部件的下部隨之旋轉，從而實現環形布料工藝。
3.2 溜槽傾動運動
溜槽的上、下傾動由托圈的垂直運動決定。托圈由8 根垂直的導軌限位，導軌約束托圈只能上下“垂直平動”，托圈上安裝了8 對導向輪與導軌配合。托圈的下部與下回轉支承（注：下回轉支承相當于一個能夠承受較大傾翻力矩的軸承） 外圈通過螺栓固定，該軸承外圈只能隨托圈上下垂直平動，而內圈必然同時與外圈上下平動。內圈固定著一個方形框架，當托圈垂直平動的時候，框架帶動兩個平行的曲柄繞耳軸擺動，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，水平旋轉中的溜槽可以同時繞耳軸擺動。托圈的上下垂直平動由三根油缸通過連桿裝置驅動，因此總結為：三根油缸帶動拖圈上下運動，拖圈通過方形框架（與回轉支承內圈固定）帶動曲柄擺動，最后由曲柄帶動溜槽傾動。
3.3 旋轉與傾動運動合成
旋轉部件的旋轉運動與托圈的垂直升降運動通過下回轉支承相連，實現布料溜槽既旋轉又擺動的合成運動。旋轉與擺動兩個自由度任意組合，實現高爐各種布料工藝要求。
4 三油缸驅動系統壓力與流量校核
4.1 初始參數
（1）布料溜槽長度：L=1800mm，曲柄長度：450mm
（2）布料溜槽傾動角度：0°～50°（實際工作角度：0°～45°）
（3）溜槽傾動速度為0°～6°/s
（4）中心喉管：φ500mm
（5）料流量：Q0=0.25m3/s（節流閥開到最大45°時）
（6）燒結礦堆比重（ρb）：1.7t/m3
（7）溜槽及托架重：G 溜槽=2020kg，托圈等上下運動部件的重量為3210kg
（8）爐頂液壓站系統壓力P：12Mpa；油缸缸徑：100mm，桿徑：56mm，行程：380mm
4.2 初始計算
4.2.1 溜槽上的料重：（以燒結礦的重量計算）
（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，假定其材質均勻，可自動得出其重心坐標（X0，Y0），圖1、圖2、圖3、圖4 已分別標出溜槽重心位置。
（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，曲柄此時為水平狀態，曲柄的拉力F 的力臂L 為450mm。
4.3 最大傾動力矩計算
（1）當溜槽為0°時，溜槽的轉矩M0 空=G 溜槽×X0 空=2020×0.3522=711.5kg·m
（2）當溜槽不帶料擺動到50°時，溜槽的轉矩M50 空=G 溜槽×X50 空=2020×0.3265=659.5kg·m
（3）當溜槽帶料擺動到50°時，溜槽的轉矩M50 空+料=（G 溜槽+G 料）×X50 料=2620×0.3659=958.7kg·m
（4）當溜槽帶料擺動到25°時，溜槽的轉矩M25 空+料=0
4.4 校核油缸系統壓力
（1）溜槽為0°時，曲柄上擺到25°，提升溜槽的力F 應滿足：（F 為托圈重力與油缸拉力的合力）
F×L×cos25°=M0 空，F=M0 空/L·cos25°=711.5/0.4078=1756kg
托圈重量為3210kg，每根油缸出力為向上的拉力F 拉，通過計算得出：
F 拉=（3210+1756）/3=1655kg=16219N
油缸有桿腔油壓：P=F 拉/S，（假定無桿腔油壓為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，此時曲柄下擺25°，壓起溜槽的力F 應滿足：
F ×L ×cos25°=M50 空+ 料，F =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，通過計算得出：
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，此時曲柄為水平狀態，提升溜槽的力F=0kg，即：油缸的拉力與托圈重量相等。
通過計算可得出每只油缸出力為拉力，F 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） 根據上述計算分析小結：（假定無桿腔油壓為0 的情況下）
a 溜槽為0°時（圖1），曲柄受向上的拉力F，油缸驅動需克服拖圈重量與溜槽轉矩
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（圖4），溜槽的轉矩為0，曲柄拉力F 為0，油缸只需帶動拖圈重量
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，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（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，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，爐頂液壓站系統壓力只需≥3Mpa，3 根油缸即可帶動溜槽傾動工作。但在生產過程中，還需考慮到各零部件之間的摩擦力、無桿腔油壓實際上不為0、油缸中活塞摩擦與系統液壓油中的氣泡等因素影響。本次爐頂液壓站系統壓力P 設計值為12Mpa，經現場調試滿足傾動要求。
在對溜槽傾動調試過程中，得到以下數據：P=12Mpa 時，溜槽由0°→45°傾動，全程耗時約8s；溜槽由45°→0°傾動，全程耗時約12s。P=6Mpa 時，溜槽由0°→45°傾動，全程耗時約15s；溜槽由45°→0°傾動，全程耗時約25s。由調試結果得知：
a.P=12Mpa，溜槽由0°～45°傾動時，傾動速度約5.6°/s，已接近溜槽最大傾動速度（6°/s）。
b.溜槽由小角度向大角度傾動耗時較少，而此過程剛好是拖圈向下運動，油缸拉力是由大到小遞減（1655kg→281kg），因此油缸驅動更為“輕松”；溜槽由大角度向小角度傾動耗時較多，此過程拖圈是向上運動，油缸拉力是由小到大遞增（281kg→1655kg），因此油缸驅動更為“費力”。
c.當系統壓力降為6MPa 時，3根油缸仍可帶動溜槽傾動，但傾動速度卻已明顯變慢。至于當系統壓力最小值Pmin 為多少，3根油缸剛好不能帶動溜槽傾動，現場并沒有安排調試，但通過上述計算與分析，此壓力Pmin 應滿足：3Mpa＜Pmin＜6Mpa。
4.5 校核系統液壓油流量
在溜槽0～50°范圍內油缸的行程為S=380mm，即溜槽平均每傾動1°時油缸行程為7.6mm。當傾動速度達到6°/s （最大）時，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
系統液壓泵額定轉速為1480rpm，每轉的流量為58ml，計算液壓泵額定流量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 結束語
本文從布料器安裝、傳動原理等幾方面介紹了此次3# 高爐爐頂布料器的更新改造，對溜槽傾動所需液壓系統壓力與流量進行校核，論證此傳動方式的可行性。布料器于2017 年4 月13 日投入使用至今，冷卻水流量（6t/h）、氮氣流量（200～240m3/h）、布料器箱體內部溫度（約30℃）、布料器電機電流（5.5A）、溜槽布料角度（24°～36°）等各項運行參數均在合理范圍，三油缸驅動布料器在3# 高爐得以成功應用。
參 考 文 獻：
[1]楊夏鋒，李洪濤，王彥良.攤鋪機螺旋布料器控制系統的改進[J].工程機械與維修，2015（08）.
[2]呂利增，高艷.攤鋪機螺旋布料器軸承室的改進[J].工程機械與維修，2012（06）.
[3]由相波，李國柱.變寬幅分隔型曲面碎石布料器研究[J].筑路機械與施工機械化，2007（04）.