胡加學(xué)， 李　東

(中冶華天工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京　210019)

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三維CAD軟件Solid Edge在渣罐傾翻力矩計(jì)算上的應(yīng)用①

胡加學(xué)， 李東

(中冶華天工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京210019)

應(yīng)用三維CAD軟件Solid Edge對(duì)8 m3渣罐罐體和傾翻過程中的液態(tài)鋼渣進(jìn)行建模，分別得出不同狀態(tài)下的質(zhì)量和質(zhì)心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)計(jì)算渣罐的傾翻力矩。該方法直觀實(shí)用，為渣罐的傾翻力矩計(jì)算提供了另一種途徑。

渣罐； 傾翻力矩； 三維CAD； Solid Edge

引　言

盛裝鋼渣用的渣罐是煉鋼廠內(nèi)重要的容器之一，為了將液態(tài)鋼渣倒入渣池中進(jìn)一步處理，它在使用過程中需經(jīng)起重機(jī)進(jìn)行頻繁地傾翻操作。在傾翻過程中，渣罐的重心、傾翻力矩等參數(shù)會(huì)隨著傾翻角度的變化而變化。分析傾翻過程中傾翻力矩的變化情況，是確保傾翻過程安全的重要依據(jù)，也是合理選擇起重機(jī)吊鉤傾翻能力大小的重要依據(jù)。

具有回轉(zhuǎn)體形狀的冶金容器的傾翻力矩計(jì)算可采用積分計(jì)算，但較為復(fù)雜[1]。利用三維CAD軟件Solid Edge，可以輕易地得到冶金容器的實(shí)體模型。利用軟件自帶的特性分析工具，能獲得實(shí)體的質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)、質(zhì)量慣性矩等物理參數(shù)，利用這些參數(shù)，可以較容易地得到該類容器的傾翻力矩[2-4]。

1　渣罐建模

以渣罐的耳軸中心線與罐體旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以旋轉(zhuǎn)軸方向?yàn)閦軸、耳軸中心線方向?yàn)閥軸、垂直于z和y軸的方向?yàn)閤軸建立三維坐標(biāo)系，對(duì)渣罐進(jìn)行建模。建模過程分為兩步，先對(duì)罐體建模，再對(duì)液態(tài)鋼渣進(jìn)行建模。

1.1罐體建模

根據(jù)8 m3鑄鋼渣罐的二維圖紙創(chuàng)建三維實(shí)體零件，并按實(shí)際使用材料指定密度屬性，按實(shí)際的裝配關(guān)系進(jìn)行裝配后得到罐體的裝配模型。渣罐的正視圖和三視圖如圖1所示。

圖1　渣罐的正視圖和三視圖

1.2液態(tài)鋼渣建模

由于重力的作用，液態(tài)鋼渣的形狀隨傾翻角度的變化而變化，但液面保持水平狀態(tài)。在出渣之前，鋼渣的體積不變；在出渣過程中，鋼渣的體積不斷減少直至為零。根據(jù)以上特性，創(chuàng)建一個(gè)液態(tài)鋼渣充滿渣罐內(nèi)腔的實(shí)體模型，指定其密度為鋼渣密度。采用一個(gè)垂直于Oxz平面、經(jīng)過y軸且與Oxy平面夾角為α的平面切割模型，假設(shè)傾翻角度為α′時(shí)，液態(tài)鋼渣開始流出，則有：

當(dāng)傾翻角度α<α′時(shí)，模型的體積與鋼渣的初始體積相等。

當(dāng)傾翻角度α≥α′時(shí)，切割平面經(jīng)過渣罐包口頂點(diǎn)。

鋼渣液面的確定方法如圖2所示。

圖2　液態(tài)鋼渣的液面確定

2　渣罐傾翻力矩計(jì)算

渣罐的傾翻力矩計(jì)算分為三步：第一步，計(jì)算渣罐罐體的傾翻力矩；第二步，計(jì)算不同傾翻角度時(shí)渣罐內(nèi)剩余鋼渣的傾翻力矩；第三步：傾翻力矩合成。

計(jì)算前作以下規(guī)定：

(1)傾翻角的方向：渣罐繞耳軸中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，規(guī)定Oxz平面內(nèi)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的角度為正值，反之為負(fù)。

(2)傾翻力矩的符號(hào)：能使渣罐繞耳軸中心產(chǎn)生逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩為正，反之為負(fù)。

2.1罐體的傾翻力矩

查詢?cè)薰摅w模型的物理屬性，得到罐體質(zhì)量m0=12689 mm，質(zhì)心坐標(biāo)x0=-26 mm，y0=0，z0=610 mm。

渣罐罐體在不同傾翻角度時(shí)的傾翻力矩由下式計(jì)算

Mk=mkgRksin(α-θk)/1000

(1)

2.2液態(tài)鋼渣的傾翻力矩

為了方便計(jì)算，切割模型時(shí)，液態(tài)鋼渣模型保持豎直角度不變，僅改變液面與水平方向的夾角和位置，得到某一角度下的剩余液態(tài)鋼渣三維模型。查詢?cè)撃Ｐ驮贠xz平面內(nèi)的質(zhì)心坐標(biāo)(x,z),按下式將Oxz平面內(nèi)的坐標(biāo)變換成旋轉(zhuǎn)α角度后Ox′z′平面內(nèi)的坐標(biāo)(x′，z′)。

(2)

不同傾翻角度時(shí)剩余液態(tài)鋼渣的傾翻力矩由下式計(jì)算

Ms=msgx′/1000

(3)

式中Ms為剩余液態(tài)鋼渣的傾翻力矩(kN·m)；ms為剩余液態(tài)鋼渣的質(zhì)量(kg)。

2.3渣罐的傾翻力矩合成

將同一傾翻角度時(shí)罐體與液態(tài)鋼渣的傾翻力矩按下式進(jìn)行合成

(4)

式中M為渣罐的傾翻力矩(kN·m)。

將渣罐繞耳軸沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，步長(zhǎng)5°，將罐體的傾翻力矩、液態(tài)鋼渣的傾翻力矩、合成力矩結(jié)算結(jié)果列在表1中，傾翻力矩曲線如圖3所示。

表1　渣罐的傾翻力矩表

圖3　傾翻力矩曲線

3　結(jié)束語

渣罐在傾翻狀態(tài)過程中，內(nèi)部液態(tài)鋼渣的質(zhì)心

和重量隨傾翻角度的變化而變化。應(yīng)用三維CAD軟件Solid Edge，可以獲得不同傾翻角度下液態(tài)鋼渣的質(zhì)心和重量。結(jié)合解析幾何知識(shí)，可以比較容易地得出旋轉(zhuǎn)過程中的傾翻力矩變化情況，較公式法計(jì)算簡(jiǎn)便和直觀。

[1]李朝東.一種計(jì)算爐液傾動(dòng)力矩的簡(jiǎn)便算法[J].華東冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，12(2)：234—238.

[2]高耀東，王春香，關(guān)麗坤.ANSYS在計(jì)算鋼水包傾翻特性中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007，(6)：164—165.

[3]劉健，馬學(xué)東，于曉光.130 t鐵水罐傾翻特性研究[J].重型機(jī)械，2009，(3)：55—57.

[4]孫巖，李繼宏，蘭勇，等.基于3D的150 t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的計(jì)算[J].重型機(jī)械，2010，(6)：65—68.

2016-02-03

胡加學(xué)(1982—)，男，工程師。E-mail:hujiaxue@htzy.cn

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