鼓风炉加料装置气动回路设计及仿真分析.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 4 ． 0 3 6 鼓风炉加料装置气动回路设计及仿真分析 刘文婷，胡云萍，祁炳楠 聊城大学机械 与汽车工程学院，山东聊城 2 5 2 0 5 9 摘要为了降低生产成本 、保障人身安全，为鼓风炉加料装置设计了一种能在恶劣环境下工作的气控回路。按照工作 要求 ，提炼气动执行元件的工作程序并对工作程序进行校核及校正 ，采用 x ． D线图法设计气控回路 ，并利用 F l u i d S I M软件 对所设计的气控回路进行仿真分析。结果表明设计的气动回路能够在满足工作要求的前提下稳定完成自动加料任务。 关键词F l u i d S I M仿真；气动回路；X D线图；加料装置 中图分类号T P 2 7 1 ． 3 ；T H1 3 8 ． 7 文献标志码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 4 1 0 9 3 De s i g n a nd S i mul a t i o n Ana l y s i s o f Pne u ma t i c Lo o p o f Bl a s t Fu r na c e Fe e di ng De v i c e L I U We n t i n g ， HU Y u n p i n g ， Q I B i n g n a n S c h o o l o f M e c h a n i c a l A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g ， L i a o c h e n g U n i v e r s i t y ， L i a o c h e n g S h a n d o n g 2 5 2 0 5 9 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e d u c e p r o d u c t i o n c o s t a n d e n s u r e w o r k e r s a f e t y，a p n e u ma t i c l o o p f o r b l a s t f u rn a c e f e e d i n g d e v i c e wa s d e - s i g n e d w h i c h c o u l d w o r k i n b a d e n v i r o n me n t ．Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t ，t h e p r o c e d u r e s o f p n e u ma t i c a c t u a t o r s we r e c h e c k e d a n d c o r r e c t e d；t h e n X D d i a g r a m me t h o d wa s u s e d t o d e s i g n t h e p n e u ma t i c l o o p ． F i n a l l y t h e p n e u ma t i c l o o p w a s s i mu l a t e d b y u s i n g F l u i d S I M s o f t wa r e ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i gn c a n s t a b l y c o mp l e t e t h e t a s k o f a u t o ma t i c f e e d i n g ． Ke y wo r d s F l u i d S I M s i mu l a t i o n；Pn e u ma t i c l o o p；X- D d i a g r a m ；F e e d i n g d e v i c e 鼓风炉是将含金属组分 的炉料在鼓入空气或 富氧 空气 的情 况下 进行 熔 炼 ，以获得 锍或 粗金 属 的竖 式 炉 ，其加料装置设在炉顶 ，工作环境灰尘较多 ，严重 威胁人身健康。为实现不需人力操作下的 自动加料， 可利用气压传动技术为其设计能在高温、多尘埃等恶 劣环境下工作的自动加料装置气控回路．以保障人身 安全、减轻劳动强度、提高劳动生产率、降低生产成 本 。 1 工作要求 鼓风炉 加料 装 置设 在 炉 顶如 图 1 所 示 ，z 、z 分别为鼓风炉顶料钟和底料钟， 、 分别为顶、 底料钟的配重 。料钟平时均处于关闭状态。图中 A 与 B分别为操纵顶、底两个料钟开、闭的气缸。 自 动加料 时 ，吊车把物 料运 到 加料 装置 上方 ，并 压 下 启动发信器 。于是顶料钟开启卸料于顶料钟和底料 钟之间。经延时发讯 ，使顶料钟 关闭而 底料钟 打 开 ，卸料到炉内，再 延时待卸 料完后底料钟关 闭， 循环结束。两料钟的关闭和气缸 的复位靠配 重实 现 。两 料钟 的关 闭 动作必 须 连锁 ，可 全部 关 闭但 不 许 同时打开 l 2 ] 。 a 剖 视 I璺 l b 外形 不 惹 图 图 1 鼓风炉加料装置气动机构示意 图 2 设计气控 回路 根据 料钟开闭行程较小 、炉体结 构限制及安全性 要求 ，采用重力封闭方案。同时，在炉体外部配上使 料钟开启 即配重抬起 的传动装置 ，由于行程小， 可采用摆 块机构 ．即相 应地采 用尾部 铰接式 气缸做 执 行元件 。考虑料钟 的开启 动作是 开启靠气 动 ，关 闭 靠配重 ，所以选用单作用缸。又考虑开闭平稳 ，可采 用缓冲型的气缸。因此 ，初步选择执行元件为两台标 准缓冲型、尾部铰接式气缸。 2 ． 1 气动执行元件的工作程序 设操纵顶料钟的气缸为 A，气缸活塞杆外伸为 A， 、气缸活 塞杆 缩 回为 A 。 ，则 A ， 动 作代 表 顶 料 钟 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 0 3 基金项目山东省 自然科学基金资助项目 Z R 2 0 1 2 E E L 0 8 作者简介刘文婷 1 9 8 2 一 ，女，硕士，讲师 ，主要从事液压与气压传动技术方面的科研和教学工作。E m a i l 5 1 0 2 9 5 4 6 7 q q ． c o m。 1 1 O 机床与液压 第 4 3 卷 开 ，A 动作代表顶料 钟闭 ；操纵 底料钟 的气缸为 B， 气缸活塞杆外伸为 B 、气缸 活塞杆缩 回为 B 。 ，则 B 动作代表底 料钟 闭 ，B 动作 代表 底料 钟开 。因此气 动执行元件的工作程序为加料吊车放罐压下阀 q 一 顶料钟开启一 延时一 顶料钟关闭一 底料钟开启一 延时 一 底料钟关闭 。 _A。 A。 B 。 BI 即工作程序为[ A A 。 B 。 B ] 2 ． 2 程序 校核 及校 正 工作程序的信号、相位关系见表 1 。 表 1 程序 的信 号、相位关系表 相位 1 2 3 4 程序名称 A l A 0 B 0 B l 终端信号 q b 1 a o b 1 a 0 b 0 bl a o b 1 a o b 0 a o b 信号组合最小项 二进制表示最小项 0 1 1 1 0 1 O 0 O 1 十进制表示最小项 1 3 1 0 1 从表 1 看出3相位 B 动作和 1 相位 A ． 动作由 同一个信号组合 a o b ． 控制 ，程序中有十进制重复小 项 1 出现 ，这将 产生 二义性 ，程序将 不能正 常进 行。 解决这种问题 ，就需要加入记忆元 件或控制信号将程 序较正 ，使控制不同相位动作的最小项互不相同 。记 忆元件 插入 的位置 应将 重 复小 项连 接 的 区间全 部切 断 ，两个 重复小项 之间为重 复小项 区间 ．除去两端位 置成为可选择插入元 件的区间。表 1 中用 x 和 x 可 将全部 重复小 项区间切断 ，相位 1 、2之 间为 x 插入 位置 ，相位 3 、4之 间为 x 插入位置 。校正后 的新程 序 为 [ A X A 。 B 。 X 。 B ] ，按 照 同样 的方法 校核 ， 发现已无 重 复小 项 ，非 标准 程序 已被校 正为 标 准程 序。 2 ． 3 绘 制 X ． D线 图 用 X D线图设计校正后的标准程序 [ A x A B x B ] ，如图2所示。首先，绘 x ． D方格图，将已知 程序 的相位及动作符号填人最上 面的方格 中 ．记忆元 件 和各气缸 的两个动作符号及动作 的主控信号填人最 左边的方格中。然后 ．分别对应最左纵栏中的动作符 号和信号符号 ，用 “ o”表起点、 “ ”表终点的粗 实线和细实线分别绘制动作线 D线 和信号线 x 线 ，并用波浪线标注信号线上的障碍段。最后，在 x ． D图最右一栏填人各动作的执行信号，即标准程序 的逻辑 函数表达式 。 l 2 3 4 5 6 x ． D图 执行 信 号 A 1 X 1 A o B O x0 B l bl L l A q b l x 0 1‘ 2 1 A o Xl 0 3 0 一 丑 1 一 ． _ o 0 4 Bo a 0 1 口 0 一 5 ● Xl I x b 0 6 6 0 ‰ 图2 校正后的标准程序 x ． D图 2 ． 4绘 制 气控逻 辑原 理 图 鼓风炉加料装 置气 控 逻辑 原 理 图是根 据 x D图 的执行信号表达式，并考虑手动、启动等回路要求所 画出 的逻辑 方框 图 ，如 图 3所示 。它是 由 x ． D图到 气路原理 图的桥 梁 ，主要是 由 “ 与” 、 “ 记忆 ” 等逻 辑符号表示。行程发信装置主要是行程阀，也包括启 动阀等 ，这些符号加上小方框表示各种原始信号 ，而 在小方框上画相应 的符号则表示各种手动 阀。执行元 件 的控制 由主控 阀的输 出表示 ，主控 阀常采用双气控 方式，可用逻辑记忆符号表示。因程序结束需要自动 循环 ，故用启动信号 q和 b l x 相与来表示。 图 3 气控逻辑原理图 2 ． 5绘 制 气控 回路 原理 图 根据图 3 所示逻辑原理 图绘制 回路原理 图 ，如 图 4所示 ，工 作程 序 的 终 了时 刻为 气 动 回路 的初 始 位 置 。因此 ，回路原理图上行 程阀等的供气 及进 出 口连 接位置应按回路初始静止位置状态连接。其中，q为 启动信号，行程阀a a 、b ， 、b 。 还分别表示气缸到 位后 由行程阀发 出的原始信号 。下标为 0的原始信 号 表示无气压 ，下标为 1 的原始信号表示有气压 。 第 l 4期 刘文婷 等鼓风炉加料装置气动回路设计及仿真分析 1 1 1 图4 气控回路原理图 3 F l u i d S I M仿真分析 利用 F l u i d S I M软件元件库 中提供的元件建立如 图4所示的气控 回路图。并进行动态仿真[ 3 ] 。仿真 结果 如图 5所示 ，主控 阀 1 和 2的输 出信号 0 、a分 别表示无气压和有气压。通过图5中两气缸活塞位移 状态 图可知 启 动 q后缸 1 伸 出 ，延 时 ，缸 1缩 回， 缸 2 缩 回 ，延 时 ，缸 2伸 出为一个工作循环。满足鼓 风炉加料装置工作程序的设计要求加料吊车放罐压 下阀 q 一顶料钟开启一延时一顶料钟关闭一底料钟开 启一延 时一 底料钟关 闭。 元件 描 述 标识 0 2 4 6 8 1 0 1 2 气 缸 1 -- -≥ 400 i 一 一 -- 。 - j ⋯ ，， ～ 气 缸 2 ⋯ ⋯ ⋯ 4 ～ 200 ～ I m m { 主 控 阀 1 “ l I l I r nL-_J 主 控 阀2 l 图5 气缸动作及主控阀输出信号仿真图 气动 回路 的初始 位 置是 a 。 、b 被压 下 ，执 行元 件的控制由主控阀的输出表示。启动仿真，气源经阀 4右位 、行程阀 b ． 上位到达手动 阀 q 进气 口，操作手 动阀 q，压缩 空气 经手动 阀左位 到达主控 阀 1 左端 ， 使主控阀 1 左位工作 ，主控阀 1 的输出信号由0跳变 为 a ，即图5中主控阀 1的第一个上升沿控制气缸 1 伸出顶料钟打开，完成动作 A 。动作 A 完成后行程 阀 a ， 被压下发出原始信号 a ，该信号分两路，一路 使 阀 4 记忆元件 换 向左位工作 ，另一路 经过延 时 顶料 钟配重的过程 控 制主 控 阀 1 换 向 ，主控 阀 1 的输出信号由 a 跳变为0 ，即图 5中主控阀 1 的第一 个下降沿 顶料钟配重 完成的时刻通过炉体外部 传动装置使缸 1 缩 回控制气缸 l 无杆腔通排气 口顶 料钟关闭，完成动作 A n 。动作 A 。 完成后压下行程阀 a 。 ，则气源通过阀4 左位和行程阀a 上位到达主控阀 2 左端使其左位工作 ，主控阀 2的输出信号由 0跳变 为 a ，即图 5中主控阀 2的第一个上升沿控制气缸 2 缩回底料钟打开 ，完成动作 B 。 。动作 B 。 完成后行程 阀b 。 被压下发出原始信号 b ，经过延时 底料钟配 重 的过程 该信号控制主控 阀 2 换 向 ，主控 阀 2的输 出信号 由 a跳变为 0 ．即图 5中主控 阀 2的第一个 下 降沿 底料钟配重 完成的时刻通过炉体外部传动 装置使缸 2伸出控制气缸 2 有杆腔通排气口底料钟 关闭并压下行程阀 b ，完成动作 B 。至此完成一个 工作循环，因为手动阀q已启动，则该程序将 自动循 环下去直至手动 阀 q关闭为止 。 4结 论 通过对鼓风炉加料装置的分析，提炼气动执行元 件的工作程序并对其进行校核及校正，依次绘制 x ． D 线图、气控逻辑原理图和气控回路原理图。最后对气 控 回路原 理 图进行 F l u i d S I M 仿 真实 验 ，实 验结 果 与 工作要求完全吻合，从而验证了该设计的可行性与有 效性。详尽的设计过程可为从事气压传动技术的工程 人员提供一定的参考。 参考文献 [ 1 ]许福玲， 陈尧明． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业 出版社 。 2 0 0 7 ． [ 2 ]机械设计手册编委会． 机械设计手册单行本气压传动与 控制[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ]郭津津， 王晓兰， 袁旭． F l u i d S I M软件在 液压传动 教学 中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 2 8 0 - 8 2 ． [ 4 ]梁云峰， 谷凤民， 李湘伟． 基于 F l u i d S I M的仿真方法在液 压动力头控系统中的应用[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 2 ， 3 3 1 0 1 57 -1 58 ． [ 5 ]樊登焕． 液压机械手油路设计及 F l u i d S I M仿真[ J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 1 0 ， 3 1 1 2 5 1 - 5 2 ． [ 6 ]丁时锋， 李清香 ， 王力群， 等． 基于 F l u i d S I M． P软件的膨 胀管开槽机气控系统设计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 3 ， 4 1 2 2 1 0 3 1 0 5 ． 『 7 1何吉利． 基于 F l u i d S I M． P的涡流探伤检测台气动控制设 计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 8 2 8 6 - 2 8 8 ． [ 8 ]齐继阳， 鲁鼎， 吴倩． F l u i d S I M在气动装置设计 中的应用 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 2 8 9 9 - 1 0 2 ．