1 引言

压团法是人造矿中最先发展起来的方法，不过跟着世界钢铁行业技术的不停进步与发展完善，烧结法工艺和球团法工艺飞速成长起来。从1898年全世界上第一个有关于烧结的专利诞生，100多年来烧结法从间断式烧结转变成为连续式烧结，每台烧结机的面积从几平米扩大到上千平米，自动化水平越来越高，已经变成全球钢铁工业中不可代替的工艺过程，同样也是中国人造矿的重要工艺方式。

“烧结法”即为高温加热粉状物料，在不完全熔化的前提下使其冷结成块的冶金造块方式。采取该方法主要是为了使在理化性能上不能达到高炉使用标准的粉状物料加工成为在物理、冶金、化学等性能上可以达到下一道工序要求的人造矿。目前为止全世界使用烧结法的烧结矿产量已超过10亿吨。

从1906年世界上开始采用带式烧结机，至今已有一个多世纪的历史了，但在二十世纪五十年代以前烧结机发展得非常缓慢，直到进入六十年代以后，烧结机的发展才快起来，而在七十年代以后，世界烧结生产和建设有了长足发展，由于大型化烧结机具有劳动生产效率高、经营费用较低和每单位烧结面积基础建设投资少等一系列优点，所以七十年代后世界烧结技术具有烧结机向大型化和特大型化方向发展的特点，烧结单机产量也越来越高。随着烧结机向大型化和特大型化发展，烧结工艺和烧结设备不断取得新的成就，带式烧结机也不例外。

台车是烧结机重要的构成部分之一，台车主要是由密封装置、台车中心体等构成。对于台车来说台车中间体是最重要的组件，烧结台车中间体在有隔热垫及烧结矿铺底料的情况下，台车体的工作温度因各厂矿的设备工作条件不同，其工作温度也不完全相同。一般情况是:台车体上部温度最高190℃ ～250℃,其次台车中部温度 180℃～190℃,台车下部温度较低150℃ ～180℃。在实际的工作环境中烧结机台车同时受到机械应力(重力、振动力、冲击力等)和热应力两种力的影响。而且台车并非在恒温下工作，而是在温度周期性变化的恶劣环境中工作。为了保证烧结机的正常运转以及台车的使用寿命,台车中间体必须要有较高的强度、抗热变形能力以及抗冲击性能。其机能的高低直接关系到台车的寿命，进而决定烧结机的使用时间。

所以，对烧结机台车的相关研究就显得尤为重要，本文的130m²烧结机台车设计是基于某企业在实际使用中的90m²烧结机台车的技术参数进行调整、优化得到的。在查阅相关资料、参观实习等过程中发现了机械厂矿中使用的烧结机台车设计方面存在若干问题，因此针对其中若干问题提出了改进方案。另一方面，依据带式烧结机工艺技术要求，综合运用机械设计、机械制造等相关知识完成了基于改进设计方案后的台车三维设计和二维设计，并基于有限元理论，使用ANSYS软件对关键件进行了应力分析。

2带式烧结机简介

2.1带式烧结机的种类及特点

带式烧结机从构造上来分类，大体上有三种形式，即鲁奇型(Lurgi)，麦基型(Makee)和考帕斯型(Koppers)。

鲁奇型(Lurgi)烧结机具有自调式驱动装置，该自调式驱动装置有两类，对于小型的烧结机，传动星轮设计成可调的，用来校正台车的运动方向，另外还采取了旋转防护筒，传动星轮轮齿由特殊合金制作，对于大型烧结机还采取了多点啮合柔性驱动装置。

麦基型(Makee)烧结机传动装置的机架是移动架构造，这种移动架可以让头部星轮做水平方向移动，在检修台车时，通过安装在移动架上方的起重机即可从头部取出台车。该构造与尾部移动架对比，好处在于烧结机头部的工作条件相比尾部更好，头部的尘土少、温度低，这两点对于保证移动装置的照常工作十分重要。机尾星轮是不可移动的，因此机尾刮刀不需要移动，散料漏斗容易安防。侧面密封使用落棒式密封，端部密封使用活动密封板。

考帕斯型(Koppers)烧结机尾部使用固定弯道，透过油压装置可以按台车的热膨胀量和尾架共同伸缩。侧面密封为T 型落棒式，弹簧内置，并在把油脂涂在密封面上，再给料端和卸料端装有弹簧悬挂迷宫式密封板。

从结构形式来看，鲁奇式(Lurgi)和麦基式(Makee)基本类似，头部和尾部均设有结构参数一致的星轮，区别是鲁奇式在尾部设有摆架(或平移架)， 尾部星轮放置在摆架(或平移架)上，并随其摆动(或移动) ，用来补偿台车热伸长所产生的头尾星轮中心距的伸缩；麦基式(Makee)的调整装置设置在烧结机头部，而考帕斯式的头部只有传动星轮没有调整装置，在尾部采取热膨胀调节装置进行调整^[1]。

2.2带式烧结机的结构和工作原理

2.2.1带式烧结机的结构

尽管带式烧结机构造复杂形式各不不同，但不论是鲁奇型、麦基型还是考帕斯型，它们都有相同的特点：头尾星轮齿数均为奇数，通常是、17 、19、21、23个齿等； 在运行过程中，同一辆台车的追赶运动和台车列的运动均由同一个星轮齿来完成，星轮齿廓是由几段圆弧和直线段组成的；它们的基本组成都包含给料装置、点火装置、轨道、台车、传动装置、密封装置、机架、风箱等。如下图2-1 所示带式烧结机的结构。

 

1. 布料/给料装置； 2.台车； 3.驱动装置； 4.风箱及密封装置； 5.尾部移动装置； 6.骨架；7.轨道装置； 8.一号灰箱； 9.二号灰箱及油槽； 10.隔热装置； 11.台车记数装置；

行程开关、润滑系统、头尾密封罩等结构在图中未示出。

图2-1 带式烧结机的结构

3台车简介

台车是烧结机十分重要的一个组成，带式烧结机是由很多台台车构成的一条烧结带，台车主要由台车体、卡轮、栏板、车轴、密封装置、隔热垫、蓖条及蓖条压块等构成。在烧结的过程中，先进行装料、点火，再抽风烧结，最后在尾部倒出烧结矿。在倒数第二个风箱处，台车的排气温度到达最大值，在回到下轨道时温度下降。台车在整个工作过程中，受到台车车身自重、蓖条、烧结矿的重力及抽风负压的作用，又要受到长时间热的反复作用，温度一般在250～500℃之间变化，产生很大的热疲劳，因此台车是非常容易损坏的零件。又由于台车造价高昂，数量多，是烧结机的重要构成部分，它的机能好坏直接决定烧结机的寿命^[1]。

台车可分为整体式和装配式两类，装配式结构被普遍采用。

大型烧结机台车，一般采用装配式结构，即把本体中部温度较高的部分和两侧温度较低部分分开，因此大型烧结机台车体是3体式装配结构，大型台车两侧栏板在高度方向上分为二节，在纵向上分为三节。这种装配式结构的好处是可以减少铸造缺陷，提高铸造质量和铸造能力；与此同时可局部更换易损部件降低维护费用^[1]。

台车主要组成部件：

Ⅰ 台车体

台车体的寿命直接决定了台车的寿命。由于热循环变化以及与烧结物接触而引起的裂纹和变形是台车体损坏的主要原因。另外，高温气体对台车体的上部有高强度的烧损及冲刷作用。所以在挑选台车体材质时，应该充分考虑以上工作环境，材料应该具有足够高的机械强度，抗磨损，又要具有耐高温，抗热疲劳的性能。

台车体材料一般采取铸钢或球墨铸铁。国外的烧结机台车主要采用球墨铸铁作为制造材料，实际效果比较让人满意，因此我国制造的台车也选用了球墨铸铁。

台车体有两体装配式、三体装配式和整体结构三种分类。

宽度在3.5m以上的大型烧结机台车，大多使用三体装配构造。该种构造的台车，用螺栓联接温度较低的两端和温度较高的中间部分。该种构造容易铸造，方便维护及更换中间部分^[2]。

Ⅱ 隔热垫

为了减少台车受到的热应力，在台车体主梁和蓖条间采取了放置隔热垫的做法，明显降低了高温烧结矿和蓖条的热量传达到台车体上。台车体的热量不止来自高温气体的辐射、对流，还来自于与台车接触的蓖条，通常蓖条会把其35%～45%的热量传导给台车体。放置隔热垫以后，使整个台车体的温度有效降低，特别是缩小了主梁上部和下部的温度差，从而减少了温度差产生的热应力。使用铸铁类隔热垫，大概可以使台车体的温度降低100～220℃，台车宽度越大，降温效果越好。

隔热垫直接放入台车体的主梁上部，在它和主梁间所形成的缝隙起到了隔热作用。同一根主梁上装有一定数量的隔热垫。其拆装需要在卸掉栏板以后进行^[2]。

Ⅲ 蓖条

蓖条连续排放在烧结机台车体上，组成了烧结炉体。蓖条的使用寿命及外形尺寸，对烧结机运转影响很大。从工作环境来看，蓖条的温度处在250℃～850℃之间的激烈波动之中，由于两端的散热条件较差，温度还要再超出50℃～100℃。同时还有高温含尘气体冲刷和氧化，因此蓖条极易磨损，尤其是两端篦条。因此要求蓖条的材料能抵抗频繁的温度波动，能经受高温氧化，还应该具有足够高的机械强度。目前蓖条大多采用铸铁、铸钢、铬镍合金或其它材料作为材质。蓖条需要精密制造，需要把尺寸控制在误差范围之内，以便安装。此外铸造完成后应进行退火，用来消除内应力及细化晶粒。台车上两根蓖条间的间距为5mm,其通风面积约占总面积的14%（除去被隔热垫阻塞的部分，约为9%）^[2]。

Ⅳ 密封装置

密封装置也是烧结机结构中重要的一部分，关系到烧结机风量的利用率，是有效提高烧结机产量，降低烧结成本的关键因素。

国内烧结机的密封装置大多数使用弹簧式结构，风箱两侧为固定滑道。此密封装置固定在台车下面的左右槽内，密封滑板由于弹簧的作用紧密的压在固定滑道上。弹簧压力其面压一般保持在0.005～0.01MPa，合适的弹簧压力为0.007～0.008MPa。

Ⅴ 其它

台车车轮里装的圆锥滚子轴承有非常高的承载能力，另外要对车轮表面与轨道接触的部分进行高频淬火，提高耐磨性。

卡轮外圆表面要进行高频淬火处理，其内部嵌有铜合金制造的衬套。

通过装在台车车轮端部的油嘴定期打入润滑脂来保持车轮与卡轮之间的润滑。

栏板的材料为球墨铸铁，有整体栏板和分块栏板两类构造。

 

 

4台车改进设计

4.1概述

参数化又被称为参数驱动，通过尺寸数值的变化来直接控制实体模型尺寸的变化。运用现代化CAD技术，对目标进行参数化建模，可以用参数建立起目标内各个特征之间的关联以及不同部件之间几何体的关联。通过调整部件的重要参数，实现性能优化的目的。同时，通过更改参数，可以有效缩短更改设计的时间和降低更改成本，提高效率。

4.1.1台车规格选用

已知带式烧结机有效烧结面积为As=130平米，通过查阅资料由烧结机国家标准可知台车规格应为3x1m型，相关的技术参数及结构尺寸如下表4-1所示。

表4-1 台车的尺寸参数

有效宽度/mm	车体长度/mm	料层高度 /mm	台车高度 /mm	密封板中心距 /mm	车轮直径 /mm	卡轮直径 /mm	卡轮中心距 /mm	轮缘间距 /mm	轮距 /mm	台车总宽 /mm	车体总重 /
3000	1000	500		3140	240	170	3180	3770	510		3.9

 

 

 

 

 

图4-1链轮式烧结机台车

4.2改进设计

4.2.1概述

130m²烧结机台车的设计是采用类比法根据90m²烧结机的相应技术参数进行改进而完成的设计。对于烧结机台车的工作原理与工作环境在前文已做详述，本节主要分析在实际使用中遇到的问题，以及提出的相应改进。

4.2.2问题分析及改进设计

1）台车栏板断裂：台车栏板在使用中主要受到盛料时料产生的压力，使栏板变形进而缩短栏板的寿命，影响台车栏板寿命的因素还有交变热应力。台车栏板的裂纹绝大多数产生于栏板的竖直方向，很少在栏板的水平方向上，大多数裂纹从栏板的下部产生向上扩展，裂纹一般经过卡篦条的销子孔和使栏板与车体固定的螺栓孔。

在烧结过程中，料层分为五带，由上到下分别是: 烧结矿带、燃烧带、预热带、干燥带和过湿带。燃烧带温度为1300℃左右、预热带温度约为300℃ ～ 700℃、干燥带温度为 100℃ ～300℃、过湿带温度在65℃以下。可见烧结料层在垂直面上的温差非常大，因此台车栏板在垂直面上的温差同样非常大，栏板本身里外面也有温差，使栏板产生复杂的热应力。台车栏板在运行中也会遇到冷热交替变化的环境，烧结机上部烧结过程温度升高，回车过程温度降低。因此，台车栏板在全部烧结过程及在车道保持运行的过程中不断受到交变热的作用，台车栏板在交变热应力的影响下，塑性下降，在热应力的作用下产生裂纹，伴随着裂纹的扩展，使栏板断裂并损坏。

为了解决栏板塑性下降引起断裂的问题，改进设计为在台车栏板的中下部和上端内嵌材料为Q235的棱铁，Q235作为碳素结构钢有足够高的强度和良好的塑性韧性，针对栏板出现裂纹的位置一般都在竖直方向上，所以布置在水平方向上的棱铁会明显改善栏板断裂的情况，进而延长栏板的使用寿命。

结构如下图4-3台车栏板所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

图4-3台车栏板图

 

2) 热节问题：台车体两侧端面与中间加强筋的结合处过度倒角半径太小，容易在该处形成金属聚集的热节，热节处的金属液冷凝慢，使该处形成缩孔或缩松缺陷，导致该处出现制造缺陷。另外台车体在冷却时，表面和内部薄壁部位有冷却速度差，会使台车体产生很大的内应力，增大开裂的可能性。壁厚变化越急剧危险性就越大，因此出现壁厚差的地方要尽可能使其平缓地过度。

为了解决热节问题，改进设计为增大几个加强筋间过度圆角半径，这样就改善了交结处的相交体积厚度过大的问题。另外采用了两个栏板与一个台车体端面紧固的方式，该设计使栏板更易于更换并且单次更换成本更低。端面与栏板的组装图如下图4-4所示。

 

图4-4台车端面与栏板接合面图

热节问题改进对比图如下图4-5和图4-6所示。

 

 

 

 

 

  图4-5改进设计前                        图4-6改进设计后

5台车实体设计

5.1Creo Parametric软件简介

美国PTC公司在2010年10月份推出的CAD设计软件包即为Creo。该软件整合了PTC公司的3个软件，分别是CoCreate直接建模技术、Pro/Engineer参数化技术和ProductView三维可视技术，Creo是PTC公司闪电计划所推出的第一个产品。Creo针对不同的任务应用采用了更为便捷的子应用操作方式，所有子应用使用统一的文件格式。 Creo的出现主要是为了解决CAD系统难用及多CAD系统数据共用等问题。

作为PTC闪电计划中的一部分，Creo有开放、互操作性、易用三大特性。在产品的生命周期中，不同用户对产品有不同需求。与其他处理方案不同，Creo想要消除CAD行业中几十年来未能解决的问题，如：

· 解决机械 CAD 领域中未解决的重大难题，包含基本的互操作性、易用性以及装配管理；

· 在 PTC 公司的特有技术和资源上，采用全新方法实现解决方案；

· 提供一组可互操作、可伸缩、开放且便于操作的机械设计APP；

· 为使用过程中的每一名参与者提供适合的解决方案。

Creo Parametric作为新一代Creo产品系列的参数化建模软件，是PTC核心产品Pro/ENGINEER的升级版本。下面就Creo Parametric的优点进行简单的介绍：

· 快速开发最新颖和最优质的产品

· 通过便捷的设计功能提高设计速度

· 通过更灵活高效的 3D  详细设计功能提升效率

· 提升模型质量、再利用原始零件和多CAD 零件以及减少模型错误

· 轻松完成复杂的曲面设计

· 随时连接到互联网，实现高效率的产品开发

通过灵活的工作流和流畅简单的UI界面，直接建模、特征处理以及智能捕捉，并进行几何预览，进而使操作者能在预览变更效果。 此外，Creo Parametric 使用了广泛流行的Windows用户UI标准，能使操作者快速上手，并且可扩展这些标准以应对未来3D 产品设计的挑战。

Creo Parametric 在多CAD环境中有出色的表现，并保证向下兼容旧版本 Pro/ENGINEER的数据。 

Creo Parametric 还可以通过内嵌的网页浏览器提供对关键资源的快速链接，从而提高工作效率。

5.2 实体设计

通过以上对烧结机的介绍可知：台车的构成部件主要包含台车体、蓖条、隔热垫等，台车体作为整个结构的主体部分，应该首先完成台车体的造型设计，再将相关零件组装上，进而完成整个台车的装配。

5.2.1台车体设计

首先运用Creo Parametric中的草图绘制出台车体的左端面通过拉伸和去除材料等功能使其成为三维实体，然后使用拉伸功能做出台车体中间的横梁，然后使用镜象功能做出台车的右端面，最后使用阵列功能做出车体上的孔和梁中间的肋，如下图5-1所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-1台车体

5.2.2篦条设计

蓖条的建模过程为：草图、拉伸、去除材料。蓖条分为中间蓖条和两端蓖条两类，其中中间蓖条主要承受热量和载荷，所以中间篦条在铸造时，其铸造精度要比两端的精密，并且要使用更好的热处理方式。其截图分别如图5-2和5-3所示。

 

图5-2两端篦条                     图5-3中间篦条

5.2.3台车车轮总装图

利用Creo Parametric软件中的相关指令现不赘述于此，车轮总装如下图5-4所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-4台车车轮总装图

5.2.4栏板

如下图图5-5所示。

 

图5-5栏板

5.2.5下侧压板

下侧压板主要承受两侧栏板的重量，如下图图5-6所示。

图5-6下侧压板

5.2.6台车装配图

完成台车的各个组成件之后，建立装配图，利用Creo Parametric相关命令完成台车总装图，最终效果如下图5-7所示。

图5-7台车

6有限元法原理和应用

6.1 ANSYS有限元分析软件简介

目前市场上集结构、电磁场、流体、声场、偶合场集于一体的分析软件最广泛流行的就是Ansys软件了。Ansys软件是由美国ANSYS公司开发，该公司目前是世界上最大的有限元分析软件公司之一，软件可以对接多种CAD软件（如Creo、UG、I-DEAS、SolidWorks和AUTOCAD等），以达到数据的共享和交换的目的，是现代产品设计中举足轻重的分析类软件。

6.2有限元法基本原理

首先对各个单元的力学性能进行初步分析，然后把这些特性集合起来就能够建立力学方程式，然后通过计算机技术来求解。离散化是有限元法的基本思想。因为单元能够组合成一个整体的方式有很多种，单元自身也具有各种不同的形状，根据这些特性在进行分析是就可以做几何形状复杂的求解。通常由未知场函数或者它的导数在单元的每个结点的数值来表示单元内的近似函数，从而使离散的有限自由度问题代替了连续的无限自由度问题。解出这些未知量后，各个单元场内函数的近似值可以通过插值函数来进行计算，最终得到求解域上的近似解。可以看出随着单元数目变多，即单元尺寸缩小，那么解的近似程度将会不断增大，因此，不同的单元数目得到的解的情况也不相同。如果单元是收敛的，那么最后近似解就是精确解。                  

用有限元原理做静力分析的过程一般有：把结构离散化、做单元分析、单元综合、外载荷的加入和约束等一些边界条件、求解方程组以及计算其他物理量等。

计算机和分析类软件的快速发展，在上述过程中，只有结构离散化、外载荷的加入和约束等边界条件是人来操作达成的，剩下的步骤都是由软件自动做完，这大大减少了人工的劳动量，提高了效率，为后续生产减少了很多时间。

6.3数字模拟技术

有限元单元法的基本思想离散化，就是是把所要求解的问题的求解域划分为小的单元，通过节点连接各个单元。单元内部点的待求量则是利用函数关系插值求得。对于单元形状简单并且规则的可以利用能量关系和平衡关系来建立方程式或者方程组，加入边界条件后就可以对方程组进行求解。单元划分的密度直接影响最后结果的精确度，单元划分的愈细密，则计算结果就会愈加精确。

6.4网格划分

首先要对模型进行网格划分，网格的划分是解决问题的前提条件。现在，有很多方法能够实现网格的划分，最好的方法就是先拆分大规模复杂结构，将它们分解成各个小单元，即将几何实体复杂的结构通过附加的线和面划分成为比较简单的子域，然后对每个简单的拓补子域进行划分网格，最后再进行求解。

6.5温度场概述

在现代工业社会中，工业工程的许多机械结构部件都是在高温高负载的环境下工作。过实测和计算可以解决并研究温度场问题。温度场问题也叫做热传导问题，通常有两种分类，瞬态温度场问题和稳态温度场问题，前者与时间有关;而后者稳态温度场问题则与时间无关。

6.6有限元分析的步骤

把将要研究的目标机构分割成有限个单元体的过程就叫作离散化，节点要设置在指定的单元点上，使两个单元连接起来，从而使相邻单元的相关数据具有连续性，组成一个由有限个单元组成的新结构，然后用这个新的集合体来代表原来的结构，用位于弹性体边界上节点的约束代替弹性体边界的约束。

用固体力学和工程力学的知识去研究并分析单元的过程就叫做单元分析，首先建立单元位移，导出计算单元的应力、应变、单元刚度矩阵和单元等效节点载荷向量的计算公式，然后讨论单元平衡的条件，建立单元节点力与节点位移之间的关系。

建立单元节点位移的目的是用节点位移表示单元体的应变、位移和应力，要分析连续体问题，应该先假设单元中的位移分布有一定值，也就是假定位移是坐标的某种简单形式的函数，该函数称为插值函数或是位移模式。有限元分析的关键之处在于选择适当的位移模式。通常情况下位移模式是一个多项式，原因是多项式运算起来比较方便，并且所有函数的局部都可以用多项式逼近。选择多项式的项数和阶次主要考虑满足单元的自由度和解的收敛性要求，通常多项式的项数和单元的自由度数是相等的，它的阶次有常数项和线性项等。

7台车的热分析

烧结机的部件有很多，台车是其中最重要的部件之一。一般情况下台车的工作条件很差，并且工作环境也很差。工作过程中，台车要承受自己的重量、篦条的重量、矿石的重量等，并且台车受到的力为循环应力，其所受到的热也是反复作用在表面上的，会产生热疲劳，以至于台车很容易损坏。此外，在矿石落下后，会产生一定的冲击，这会引起台车体的上部受到强列的撞击，加重车体的损坏，在台车工作的过程中会受到热应力的作用是一个循环应力，应力在一个加热和冷却循环期中，使台车体发生交变变形，变形会不断的增加，最终出现裂纹和永久挠度，使台车出现塌腰现象。

正确分析台车的温度场是台车结构设计的依据，使用有限元法可以减少台车的设计周期，降低设计成本，在实际制造前发现问题，便于更改设计方案。