高炉开口机钻具优化及系统仿真

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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。
摘要第13-15页
ABSTRACT第15-16页
第1章 绪论第17-29页
    1.1 引言第17页
    1.2 高炉炼铁及炉前设备简介第17-18页
        1.2.1 高炉炼铁过程简介第17-18页
        1.2.2 炉前机械设备简介第18页
    1.3 高炉开口机的种类及特点第18-21页
        1.3.1 高炉开口机的种类第18-19页
        1.3.2 高炉开口机的结构及特点第19-21页
    1.4 高炉开口机应用及发展概况第21-23页
        1.4.1 国内开口机发展概况第21页
        1.4.2 新型开口机的应用第21-22页
        1.4.3 开口机应用的发展趋势第22-23页
    1.5 高炉钻具应用概况第23页
    1.6 虚拟样机技术及本文所用软件简介第23-26页
        1.6.1 虚拟样机技术第23-24页
        1.6.2 ADAMS软件简介第24-25页
        1.6.3 ABAQUS软件简介第25-26页
        1.6.4 Pro/Engineer软件简介第26页
        1.6.5 接口软件Mechanism/Pro简介第26页
    1.7 课题的提出、目的和意义第26-27页
    1.8 课题的研究方法和主要内容第27-29页
第2章 炮泥的强度理论及工作特性研究第29-47页
    2.1 高炉炮泥简介第29页
    2.2 炮泥的应用现状第29-31页
        2.2.1 国外炮泥应用现状第29-30页
        2.2.2 国内炮泥应用现状第30-31页
    2.3 高炉炮泥的基本特性第31-34页
        2.3.1 高炉炮泥的功能要求第31页
        2.3.2 高炉炮泥的组成原料第31-32页
        2.3.3 高炉炮泥的种类第32-33页
        2.3.4 高炉炮泥的理化性能第33-34页
    2.4 炮泥强度理论第34-40页
        2.4.1 炮泥材料的结构特性第35页
        2.4.2 脆性材料基本定义第35-37页
        2.4.3 脆性材料强度理论第37-40页
    2.5 高炉炮泥的工作温度分析第40-46页
        2.5.1 有限元分析软件介绍第40-42页
        2.5.2 高炉出铁口构造第42页
        2.5.3 高炉出铁口炮泥温度分析第42-46页
    2.6 本章小结第46-47页
第3章 开口机钻头的优化设计第47-77页
    3.1 开口机钻头工作现状第47页
    3.2 开口机钻头受力理论分析第47-48页
    3.3 开口机钻头受力仿真分析第48-59页
        3.3.1 动力学仿真软件介绍第48-50页
        3.3.2 钻具系统动力学仿真第50-58页
        3.3.3 钻头受力的有限元分析第58-59页
    3.4 开口机钻头失效分析第59-64页
        3.4.1 常温下钻头的失效分析第59-60页
        3.4.2 钻头的有限元热分析第60-63页
        3.4.3 高温下钻头的失效分析第63-64页
    3.5 新型钻头的设计第64-75页
        3.5.1 钻头形式的选择第65-66页
        3.5.2 钻头体的结构参数第66-67页
        3.5.3 钻刃合金片的相关参数第67-68页
        3.5.4 钻刃合金片形式的选择第68-72页
        3.5.5 刀片的固定方式第72页
        3.5.6 钻头体用钢第72-73页
        3.5.7 刀片用硬质合金第73-74页
        3.5.8 新型钻头设计方案第74-75页
    3.6 新型钻头现场试验第75-76页
    3.7 本章小结第76-77页
第4章 开口机钻杆的优化设计第77-89页
    4.1 开口机钻杆工作状态分析第77-78页
    4.2 钻杆动力学分析第78-82页
        4.2.1 模型的建立第78-79页
        4.2.2 施加约束第79-80页
        4.2.3 仿真结果分析第80-82页
    4.3 钻杆横向振动问题的解决方案第82-86页
        4.3.1 方案的提出第82页
        4.3.2 虚拟模型的建立第82-83页
        4.3.3 导向套位置和速度参数的优化第83-86页
    4.4 优化方案的仿真结果分析第86-88页
    4.5 本章小结第88-89页
第5章 全液压开口机机械系统仿真第89-105页
    5.1 全液压开口机的结构特征第89-90页
    5.2 全液压开口机模型的建立第90-95页
        5.2.1 复杂机械系统模型简化原则第90页
        5.2.2 开口机模型的简化第90-91页
        5.2.3 开口机三维模型的建立第91-93页
        5.2.4 模型施加约束第93-94页
        5.2.5 添加运动激励第94-95页
    5.3 开口机动力学分析第95-101页
    5.4 开口机本体主要承力构件强度校核第101-104页
        5.4.1 各主要约束处受力峰值的确定第101页
        5.4.2 各主要承力构件模型的建立第101-102页
        5.4.3 有限元分析结果第102-104页
    5.5 本章小结第104-105页
结论第105-107页
参考文献第107-113页
致谢第113-114页
学位论文评阅及答辩情况表第114页
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