供稿|朱海亮/ZHU Hai-liang

內(nèi)容導(dǎo)讀

以 70 t 鐵水包為例,文章介紹應(yīng)用 Inventor 軟件對(duì)冶金容器進(jìn)行切片法操作以求解其重心位置、傾翻力矩、出水角度等數(shù)據(jù),為冶金容器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù),并對(duì)配套設(shè)備(如傾翻電機(jī)、起重機(jī))的設(shè)計(jì)、選取提供數(shù)據(jù)支持.

在進(jìn)行鐵水包的設(shè)計(jì)時(shí),須計(jì)算鐵水包的重心、傾翻力矩、出水角度等參數(shù),以便確定合理的耳軸位置,選擇合理的配套設(shè)備 (如鐵水傾翻車的傾翻電機(jī)、天車副鉤) 等,使鐵水包及配套設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)安全.

利用傳統(tǒng)手工方法進(jìn)行鐵水包重心計(jì)算時(shí),須兩個(gè)人同時(shí)進(jìn)行計(jì)算,在計(jì)算過程中且定期進(jìn)行核對(duì),發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤及時(shí)進(jìn)行糾正,過程漫長(zhǎng)且精確度不夠.且在進(jìn)行傾翻力矩時(shí),鐵水形狀為馬蹄形狀,計(jì)算量更大,計(jì)算結(jié)果的精確度也不夠.在CAD 中可以進(jìn)行三維模型的構(gòu)建,可以進(jìn)行各個(gè)部件的重心計(jì)算,然后進(jìn)行重心的合成,但精度明顯不夠,且無法進(jìn)行傾翻力矩的計(jì)算.

而 Autodesk 公司推出的Inventor 軟件,功能非常強(qiáng)大,不僅可以方便的進(jìn)行三維模型的繪制,而且可以很方便的轉(zhuǎn)化為工程圖直接出圖,目前在各大設(shè)計(jì)院中應(yīng)用的越來越廣泛.且利用該軟件,可以方便的查看所繪制的三維模型的重心、慣性矩等,計(jì)算過程簡(jiǎn)單快捷,結(jié)果準(zhǔn)確可靠.

在此以某廠 70 t 鐵水包為例,簡(jiǎn)單的介紹一下 Inventor 軟件在計(jì)算鐵水包、鋼包、轉(zhuǎn)爐、渣罐等冶金容器重心、傾翻力矩中的應(yīng)用.

70 t 鐵水包傾翻特性的計(jì)算過程

計(jì)算的 70 t 鐵水包的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示,設(shè)計(jì)容量 70 t.由外而內(nèi)依次為包殼、保溫氈、永久層、工作層.

圖 1 某廠 70 t 鐵水包結(jié)構(gòu)圖

為了計(jì)算方便,在對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化,具體如下:

(1) 忽略耳軸與天車板鉤之間的摩擦、鐵水包傾翻機(jī)構(gòu)的影響;

(2) 忽略渣層及包口粘渣的影響;

(3) 假設(shè)傾翻過程較慢,鐵水液面始終維持水平狀態(tài);

(4) 鐵水密度以 6.9 t/m3計(jì),永久層密度以 2.6 t/m3計(jì),工作層密度以 2.75 t/m3計(jì);

(5) 因保溫氈厚度較小(≤10 mm),且密度較小,故忽略保溫氈的質(zhì)量;

(6) 忽略鐵水包透氣孔;

(1) 根據(jù)鐵水包制造圖,用旋轉(zhuǎn)、拉伸、衍生等命令,繪制鐵水包外殼的各個(gè)零件圖,裝配為鐵水包外殼部件.

(2) 新建零件,用鐵水包外殼部件來衍生永久層,指定永久層厚度,衍生命令可以根據(jù)鐵水包外殼的形狀生成永久層.

(3) 新建零件,用永久層來衍生工作層,指定工作層厚度,生成工作層.

(4)新建零件,應(yīng)用工作層的形狀來衍生鐵水形狀.

(5) 裝配總部件:將永久層、工作層、鐵水依次裝配進(jìn)鐵水包外殼中,生成鐵水包總部件圖.即可在iProperty中查看鐵水包總裝圖的質(zhì)量、重心等數(shù)據(jù).

(6) 應(yīng)用切片法進(jìn)行鐵水包傾翻力矩的計(jì)算,具體方法見"切片法進(jìn)行鐵水包傾翻力矩的計(jì)算"所述.

在傾翻過程中,假設(shè)鐵水液面保持水平,在傾翻的過程中,鐵水形狀便不斷變化.傾翻到一定角度后,鐵水開始倒出,鐵水重量也開始變化.故在傾翻過程中,鐵水和鐵水包的重心、傾翻力矩都是在不斷變化的.

下面簡(jiǎn)要介紹一下切片法計(jì)算傾翻力矩的過程,此方法也適用于鋼水包、轉(zhuǎn)爐的傾翻力矩計(jì)算.

如圖 2 所示繪制鐵水包模型,以鐵水包內(nèi)容積的形狀繪制鐵水,此時(shí)鐵水液面及重量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵水的實(shí)際重量的.在計(jì)算過程中,隨著傾翻的進(jìn)行,以每 5° 為單位建立工作面,切除工作面以上的多余鐵水.在鐵水倒出以前,以 70 t 鐵水的量來確定工作面的高度;在鐵水開始倒出以后,以鐵水包嘴為基準(zhǔn)點(diǎn)做水平面,切除多余鐵水,直至鐵水倒凈.

圖 2 70 t 鐵水包傾翻示意圖

表 1 70 t 鐵水包傾翻特性參數(shù)

在切片過程中,每切割一次,在 iProperty 中查看整包重量、重心位置等數(shù)據(jù).

計(jì)算結(jié)果

鐵包的傾翻力矩即為:

M=WX

式中:W-包括包殼、耐火材料、鐵水在內(nèi)的所有重量.

X-重心在 x 坐標(biāo)軸上的坐標(biāo).

依據(jù)上述原理,逐步傾翻鐵包、傾翻鐵水后,得出一系列數(shù)據(jù),進(jìn)行處理后即可得出重心、傾翻力矩等的變化情況,如表 1所示.

將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理,可得鐵水包傾翻力矩圖,見圖 3.

圖 3 70 t 鐵水包傾翻力矩圖

由表 1 及圖 3 分析可知:

(1) 在鐵水包處于垂直狀態(tài)時(shí),由于包嘴的存在,鐵水包重心處于 x 軸正方向上,隨著傾翻的進(jìn)行,鐵水包重心逐漸向 x 軸負(fù)向移動(dòng),在 75° 左右時(shí)達(dá)到最大,為 -515 mm.

(2) 鐵水包在垂直狀態(tài)時(shí)力矩為正 (以圖示坐標(biāo)軸方向),隨著傾翻的進(jìn)行,傾翻力矩轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù),并逐漸增大,在傾翻到 50° 左右時(shí)達(dá)到最大.

(3) 在傾翻到 85° 以后,由于鐵水基本出凈,整體的傾翻力矩即為空包的傾翻力矩,且變化不大.

結(jié)束語

應(yīng)用 Inventor 軟件,可以方便的進(jìn)行三維模型的建模及數(shù)據(jù)計(jì)算,通過一些技巧的應(yīng)用,可以方便的進(jìn)行鐵水包的傾翻力矩的計(jì)算,且計(jì)算方法較為簡(jiǎn)便,計(jì)算周期較短,精度較高,為配套設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了依據(jù).該方法簡(jiǎn)單易學(xué),推廣開來,也可以為鋼水包、轉(zhuǎn)爐、渣罐等冶金設(shè)備的設(shè)計(jì)、計(jì)算提供依據(jù).