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高炉开口机钻具优化及系统仿真

作　者: 崔萍
导　师: 张建华
学　校: 山东大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 高炉开口机高炉钻具优化设计仿真
分类号: TF57
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 74次
引　用: 1次
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内容摘要

近年来,随着我国钢铁产业的迅速发展,对高炉炼铁技术和设备均提出了更高的要求。高炉开口机和钻具是高炉炉前关键设备,其运行效果直接影响到高炉安全生产。目前,国内各钢铁厂家均面临着由电动和气动开口机向全液压开口机升级改造的重要课题,而开口机钻具寿命短、成本高、效率低也一直是困扰我国钢铁冶炼行业的技术难题。本课题正是顺应钢铁行业的发展要求,针对济南钢铁集团生产中开口机和钻具存在的技术难题提出的,旨在突破目前高炉开口机和钻具的技术瓶颈,提高生产效率,降低生产成本,推动钢铁行业的发展。本文主要采取理论研究、虚拟样机仿真和有限元分析进行高炉钻具和开口机系统的分析研究和优化设计。首先分析了高炉炮泥的功能要求、原料配比和理化性能等基本特性;研究了高炉炮泥的结构特性和脆性材料的强度理论,确定了适合炮泥的类混凝土脆性材料破坏准则;建立了高炉出铁口炮泥的有限元模型,利用ABAQUS软件对高炉出铁口炮泥的温度场进行了有限元分析,明确了出铁孔炮泥的温度分布情况,为下一步高炉钻具的受力分析奠定基础。建立了开口机钻具系统的虚拟样机模型,用ADAMS软件对模型进行了动力学仿真分析,明确了钻具系统的动力学特性;理论和仿真分析了钻头的受力情况;分析了开口机钻头在常温和高温环境下的失效形式,明确了钻头在开铁口过程中的失效主要是刀片从钻头体刀槽中脱落所致。以钎具设计准则为依据,在充分考虑钻头失效原因的基础上,设计了一种新型开口机钻头,并进行了初步的现场试验,结果表明,新型钻头克服了原用钻头在高温下刀片易脱落的缺陷,使用效果明显优于原用钻头,能显著提高生产效率、降低生产成本。系统分析了开口机钻杆的工作状态及其产生横向振动的原因;利用钻具系统的动力学模型对钻杆进行了仿真研究,明确了钻杆的动力学特性;提出了一种解决钻杆横向振动的方案,并用ADAMS对方案进行了优化;对比研究结果表明,新方案能够有效降低钻杆的横向振动。建立了全液压开口机的虚拟样机整机模型,对开口机开铁口过程进行了动力学仿真分析,明确了开口机整个工作过程的受力状况,并确定了各主要约束处的受力峰值;以此为基础对开口机本体各主要元件进行了有限元分析和强度校核,结果表明全液压开口机方案中各主要承力构件均符合强度要求。

全文目录

摘要  13-15
ABSTRACT  15-17
第1章绪论  17-29
  1.1 引言  17
  1.2 高炉炼铁及炉前设备简介  17-18
    1.2.1 高炉炼铁过程简介  17-18
    1.2.2 炉前机械设备简介  18
  1.3 高炉开口机的种类及特点  18-21
    1.3.1 高炉开口机的种类  18-19
    1.3.2 高炉开口机的结构及特点  19-21
  1.4 高炉开口机应用及发展概况  21-23
    1.4.1 国内开口机发展概况  21
    1.4.2 新型开口机的应用  21-22
    1.4.3 开口机应用的发展趋势  22-23
  1.5 高炉钻具应用概况  23
  1.6 虚拟样机技术及本文所用软件简介  23-26
    1.6.1 虚拟样机技术  23-24
    1.6.2 ADAMS软件简介  24-25
    1.6.3 ABAQUS软件简介  25-26
    1.6.4 Pro/Engineer软件简介  26
    1.6.5 接口软件Mechanism/Pro简介  26
  1.7 课题的提出、目的和意义  26-27
  1.8 课题的研究方法和主要内容  27-29
第2章炮泥的强度理论及工作特性研究  29-47
  2.1 高炉炮泥简介  29
  2.2 炮泥的应用现状  29-31
    2.2.1 国外炮泥应用现状  29-30
    2.2.2 国内炮泥应用现状  30-31
  2.3 高炉炮泥的基本特性  31-34
    2.3.1 高炉炮泥的功能要求  31
    2.3.2 高炉炮泥的组成原料  31-32
    2.3.3 高炉炮泥的种类  32-33
    2.3.4 高炉炮泥的理化性能  33-34
  2.4 炮泥强度理论  34-40
    2.4.1 炮泥材料的结构特性  35
    2.4.2 脆性材料基本定义  35-37
    2.4.3 脆性材料强度理论  37-40
  2.5 高炉炮泥的工作温度分析  40-46
    2.5.1 有限元分析软件介绍  40-42
    2.5.2 高炉出铁口构造  42
    2.5.3 高炉出铁口炮泥温度分析  42-46
  2.6 本章小结  46-47
第3章开口机钻头的优化设计  47-77
  3.1 开口机钻头工作现状  47
  3.2 开口机钻头受力理论分析  47-48
  3.3 开口机钻头受力仿真分析  48-59
    3.3.1 动力学仿真软件介绍  48-50
    3.3.2 钻具系统动力学仿真  50-58
    3.3.3 钻头受力的有限元分析  58-59
  3.4 开口机钻头失效分析  59-64
    3.4.1 常温下钻头的失效分析  59-60
    3.4.2 钻头的有限元热分析  60-63
    3.4.3 高温下钻头的失效分析  63-64
  3.5 新型钻头的设计  64-75
    3.5.1 钻头形式的选择  65-66
    3.5.2 钻头体的结构参数  66-67
    3.5.3 钻刃合金片的相关参数  67-68
    3.5.4 钻刃合金片形式的选择  68-72
    3.5.5 刀片的固定方式  72
    3.5.6 钻头体用钢  72-73
    3.5.7 刀片用硬质合金  73-74
    3.5.8 新型钻头设计方案  74-75
  3.6 新型钻头现场试验  75-76
  3.7 本章小结  76-77
第4章开口机钻杆的优化设计  77-89
  4.1 开口机钻杆工作状态分析  77-78
  4.2 钻杆动力学分析  78-82
    4.2.1 模型的建立  78-79
    4.2.2 施加约束  79-80
    4.2.3 仿真结果分析  80-82
  4.3 钻杆横向振动问题的解决方案  82-86
    4.3.1 方案的提出  82
    4.3.2 虚拟模型的建立  82-83
    4.3.3 导向套位置和速度参数的优化  83-86
  4.4 优化方案的仿真结果分析  86-88
  4.5 本章小结  88-89
第5章全液压开口机机械系统仿真  89-105
  5.1 全液压开口机的结构特征  89-90
  5.2 全液压开口机模型的建立  90-95
    5.2.1 复杂机械系统模型简化原则  90
    5.2.2 开口机模型的简化  90-91
    5.2.3 开口机三维模型的建立  91-93
    5.2.4 模型施加约束  93-94
    5.2.5 添加运动激励  94-95
  5.3 开口机动力学分析  95-101
  5.4 开口机本体主要承力构件强度校核  101-104
    5.4.1 各主要约束处受力峰值的确定  101
    5.4.2 各主要承力构件模型的建立  101-102
    5.4.3 有限元分析结果  102-104
  5.5 本章小结  104-105
结论  105-107
参考文献  107-113
致谢  113-114
学位论文评阅及答辩情况表  114

高炉开口机钻具优化及系统仿真

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