三維軟件在窯爐設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

梁善良，梁 清（.廣東中窯窯業(yè)股份有限公司，廣東 佛山 586；.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 4300）

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三維軟件在窯爐設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

梁善良1，梁 清2
（1.廣東中窯窯業(yè)股份有限公司，廣東 佛山 528226；2.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243002）

摘 要：對(duì)三維軟件在輥道窯、隧道窯上運(yùn)用進(jìn)行了扼要的闡述。窯爐設(shè)計(jì)時(shí)使用三維軟件可以大幅度提高設(shè)計(jì)速度的設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)誤差或差錯(cuò)，避免了在統(tǒng)計(jì)窯爐材料時(shí)材料統(tǒng)計(jì)重復(fù)與丟失的現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生更改時(shí)，材料與圖紙也能同步更新與統(tǒng)計(jì)，極大地方便了設(shè)計(jì)者。另外三維設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)視化的設(shè)計(jì)與分析，將大大提高設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：三維軟件；參數(shù)設(shè)計(jì)；BOM表；可視化；Inventor；運(yùn)動(dòng)仿真；三維布管

0 引 言

眾所周知：窯爐工程是涉及材料學(xué)、工程力學(xué)、流體力學(xué)、電學(xué)、傳熱學(xué)等多學(xué)科，跨多行業(yè)的大型工程。它不但要求設(shè)計(jì)科學(xué)、施工嚴(yán)格，還對(duì)人員的調(diào)試、操作等提出很高的要求。現(xiàn)在的窯爐工程量超來(lái)越大，我公司的輥道窯最長(zhǎng)達(dá)400多米，內(nèi)寬也達(dá)3.85米，設(shè)計(jì)溫度達(dá)1300 ℃；超高溫隧道窯長(zhǎng)度為167米，內(nèi)寬達(dá)2.3米，設(shè)計(jì)溫度達(dá)1800 ℃。這就要求我們有更好更快的設(shè)計(jì)與制造窯爐的方法。減少不必要的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，避免材料統(tǒng)計(jì)中的重復(fù)與丟失，快、好、省、優(yōu)質(zhì)地為客戶創(chuàng)造出更多的價(jià)值。運(yùn)用傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)很難滿足這些大型窯爐的要求。為此我公司現(xiàn)在全面使用三維窯爐進(jìn)行設(shè)計(jì)。我公司在窯爐設(shè)計(jì)上主要運(yùn)用二種軟件 （Inventor，Solidworks）。下面就主要就Inventor三維設(shè)計(jì)軟件在我公司窯爐上的設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)單概述。

1 三維軟件應(yīng)用窯爐設(shè)計(jì)

1.1 應(yīng)用于窯爐框架設(shè)計(jì)

運(yùn)用Inventor設(shè)計(jì)窯爐框架，可以快速精確的設(shè)計(jì)。可以將常用的窯爐框架模型做成參數(shù)化模型，這樣就很容易再編輯。在創(chuàng)建參數(shù)化特征的時(shí)候，通過(guò)在創(chuàng)建時(shí)繪制的基礎(chǔ)草圖和輸入的數(shù)值來(lái)定義。可以編輯草圖或特征，來(lái)快速實(shí)現(xiàn)模型更改。參數(shù)化設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：

（1）自動(dòng)提取模型中的尺寸，壓縮狀態(tài)、配置信息到excel文檔，將Inventor模型中待參數(shù)化的數(shù)據(jù)一網(wǎng)打盡。

（2）可充分利用excel的強(qiáng)大計(jì)算能力、簡(jiǎn)單性和開(kāi)放性，將上述數(shù)據(jù)直觀表達(dá)，讓使用者輕松上手。

（3）通過(guò)excel文檔驅(qū)動(dòng)模型尺寸、零部件壓縮狀態(tài)、零部件配置，讓變型變參數(shù)設(shè)計(jì)不再成為編程高手的特權(quán)。

（4）強(qiáng)大的工程圖更新能力，可實(shí)現(xiàn)明細(xì)表更新、混亂尺寸的還原、特殊視圖的位置恢復(fù)等功能。以上特點(diǎn)簡(jiǎn)單地說(shuō)就是將窯爐的框架做成參數(shù)化模型，如果要改變框架的一些參數(shù)（如框架材料大小、長(zhǎng)短、厚薄等）只需要輸入相應(yīng)的參數(shù)就可以快速地將更新模型輸出。避免在平面制圖中大量簡(jiǎn)單重復(fù)的制圖。如圖1中窯爐框架總寬度為2200mm，現(xiàn)在窯爐框架寬度要求變更為4200mm，只要改變參數(shù)中的 “單節(jié)寬度”中的2200為4200即可迅速更改成新的窯爐框架。用時(shí)不到幾秒，相應(yīng)的工程圖在同時(shí)自動(dòng)更新（如圖2）。

圖1 運(yùn)用參數(shù)化快速設(shè)計(jì)原圖Fig.1 Using parameterization to design original chart rapidly

圖2 運(yùn)用參數(shù)化快速設(shè)計(jì)變更圖Fig.2 Using parameterization to design change chart rapidly

圖3 窯爐的耐火材料設(shè)計(jì)Fig.3 The designing of kiln refractory materials

1.2 應(yīng)用于窯爐耐火材料設(shè)計(jì)

以超高溫隧道設(shè)計(jì)為例：運(yùn)用Inventor于高溫耐火材料進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)可將各型耐火磚建模，建模后作相應(yīng)的組裝即可得到窯墻、窯頂?shù)哪Ｐ汀？梢栽谀Ｐ椭锌吹礁髂突鸬男吞?hào)、顏色、品種、規(guī)格。可以核對(duì)各磚縫的砌筑、各膨脹縫、各孔洞的預(yù)留情況、與各鋼構(gòu)件是否沖突、耐火磚需要加工等。充分體現(xiàn)了可視化設(shè)計(jì)的好處，如圖3。

1.3 應(yīng)用于窯爐風(fēng)管管道（三維布管）設(shè)計(jì)

以內(nèi)寬3850mm輥道窯設(shè)計(jì)為例：運(yùn)用Inventor于窯爐風(fēng)管設(shè)計(jì)中，可以很快速進(jìn)行風(fēng)管的設(shè)計(jì)，在資源中心中有大量的管道標(biāo)準(zhǔn)件可以使用。資源中心不但有國(guó)標(biāo)還有大量的外國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，方便與國(guó)外項(xiàng)目接軌。還可以自己做一些零件作為標(biāo)準(zhǔn)件方便重復(fù)使用。例如可以做一些特殊彎頭、三通等作為標(biāo)準(zhǔn)件，在不同的窯爐管道上使用，如圖4。

1.4 應(yīng)用于窯爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以超高溫隧道設(shè)計(jì)為例：運(yùn)用Inventor于窯爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可方便地使用各種閥門(mén)、管道、燒嘴、電磁閥減壓閥、執(zhí)行器等進(jìn)行組合。也可將減壓閥、執(zhí)行器等做成標(biāo)準(zhǔn)的元件使用在更多的窯爐中，如圖5。

圖4 窯爐管道設(shè)計(jì)Fig.4 The designing of kiln pipeline

圖5 窯爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.5 The designing of kiln combustion system

1.5 應(yīng)用于窯爐機(jī)械傳動(dòng)（運(yùn)轉(zhuǎn)）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用三維軟件進(jìn)行窯爐機(jī)械傳動(dòng)（運(yùn)轉(zhuǎn)）系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更能體現(xiàn)其設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。設(shè)計(jì)工作由抽象變成可視化，對(duì)設(shè)備的動(dòng)作也進(jìn)行模擬，更好地檢查設(shè)計(jì)時(shí)可能發(fā)生的零部件干涉現(xiàn)象，更好地考慮到機(jī)械加工、焊接、裝配等工藝要求。將各常用零件、部件做成標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，更加提高窯爐機(jī)械傳動(dòng)（運(yùn)轉(zhuǎn)）設(shè)計(jì)的效率。如圖6所示常用的輥道窯斜齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖6 輥道窯斜齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)Fig.6 The designing of roller kiln’s helical gear driving

1.6 應(yīng)用于窯爐其它設(shè)計(jì)

利用三維軟件還可以對(duì)窯爐其它方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)精度的效率。例：應(yīng)用于電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)（面板）、曲面設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真、模具等設(shè)計(jì)。

2 三維軟件糾錯(cuò)

應(yīng)用三維軟件可有效地減少設(shè)計(jì)過(guò)程中容易出現(xiàn)的差錯(cuò)。它可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行提醒，以醒目的方法進(jìn)行顯示，提醒設(shè)計(jì)者解決出現(xiàn)的錯(cuò)誤或差錯(cuò)，以提高設(shè)計(jì)精度。

3 三維軟件中的材料統(tǒng)計(jì)輸出（BOM表）

三維軟件不但能導(dǎo)出常用的工程圖還能同步于組裝圖的更新，并且能實(shí)現(xiàn)材料統(tǒng)計(jì)的輸出，材料數(shù)據(jù)輸出的形式有數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和表格樣式。這種自動(dòng)輸入數(shù)據(jù)的功能非常適用于窯爐設(shè)計(jì)中的材料及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確而細(xì)致，可避免了人工在統(tǒng)計(jì)窯爐材料時(shí)材料統(tǒng)計(jì)重復(fù)與丟失的現(xiàn)象發(fā)生。

例如：在窯爐預(yù)熱帶框架總裝模型或?qū)С銎矫婀こ虉D紙中，還可以處理總裝模型中BOM表中一次性批處理圖紙標(biāo)題欄、材料明細(xì)表和模型關(guān)聯(lián)的絕大部分內(nèi)容，其它相關(guān)項(xiàng)也可自動(dòng)生成，大大節(jié)省了在下級(jí)零部件模型和圖紙?zhí)顚?xiě)，并能隨時(shí)跟據(jù)零部件模型的修改而能自動(dòng)更新。主要批處理能編輯的文本項(xiàng)有：序號(hào)編號(hào)、零部件名、主題、項(xiàng)目、單位、重量、材料、修訂號(hào)、設(shè)計(jì)人、核準(zhǔn)人、批準(zhǔn)人、簽字時(shí)間等。特別是對(duì)各零件、部件的數(shù)量、重量統(tǒng)計(jì)上無(wú)差錯(cuò)。這個(gè)功能減少了設(shè)計(jì)人員非常多的勞動(dòng)。

自動(dòng)關(guān)聯(lián)生成的有：主視圖比例、設(shè)計(jì)圖的圖幅、圖紙文件名及路徑、模型及圖紙的文件名、設(shè)計(jì)人及日期，如圖7所示。

圖7 裝配圖中BOM表的輸出Fig.7 The output of BOM table in the assembly drawing system

4 三維軟件中的應(yīng)力分析

三維軟件能夠進(jìn)行應(yīng)力分析，對(duì)單一零件或結(jié)構(gòu)都能進(jìn)行應(yīng)力分析。例如在窯爐框架中可以對(duì)窯頂?shù)牡醮u梁進(jìn)行受力分析，既保證了吊磚梁必要的強(qiáng)度又避免了不必要的材料浪費(fèi)，如圖8。

圖8 三維軟件對(duì)吊磚梁進(jìn)行受力分析Fig.8 Using three-dimensional software to analyze the stress of brick hanging beam

5 三維軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真

在窯爐設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)仿真主要運(yùn)用在輥道窯產(chǎn)品傳送及運(yùn)輸中與其它機(jī)械的配合；在隧道窯運(yùn)用中主要是窯車(chē)的裝碼與卸載與其它機(jī)械的配合。通過(guò)仿真可以清楚地觀察到各個(gè)部件運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)，保證在實(shí)際的運(yùn)行中不出現(xiàn)錯(cuò)。

6 三維軟件的熱力學(xué)、流體力學(xué)分析及仿真

現(xiàn)在流體力學(xué)的仿真可以與三維設(shè)計(jì)做無(wú)縫結(jié)合，提供快速、精確和靈活的流體流動(dòng)和熱能模擬。三維軟件可以對(duì)窯爐設(shè)計(jì)中的熱力學(xué)，尤其是在實(shí)體-流體和實(shí)體-實(shí)體界面、用于捕捉邊界層變化的壁處理、以及表面摩擦和熱流量計(jì)算等方面進(jìn)行模擬和仿真。能夠?qū)ΩG爐內(nèi)的氣體/預(yù)混合氣體和非預(yù)混合氣體燃燒、沸騰等過(guò)程仿真及模擬。

7 結(jié) 論

總之，三維設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日新月異，它為我們的窯爐設(shè)計(jì)提供了更科學(xué)，更便利的手段，它用可視化的手法，更清楚地服務(wù)于我們的設(shè)計(jì)，它解決了設(shè)計(jì)中常需要設(shè)計(jì)計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)化模型以及設(shè)計(jì)后期煩鎖的統(tǒng)計(jì)。我們運(yùn)行好三維設(shè)計(jì)就能更好地為顧客創(chuàng)造出更多的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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通信聯(lián)系人：梁善良，男，工程師。

Received date:2016-03-01. Revised date: 2016-03-05.

Correspondent author:LIANG Shanliang， male， Engineer.

E-mail：liangshanliang@fox.mail.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ174.6+5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-2874（2016）03-0038-04

DOI:10.13958/j.cnki.ztcg.2016.03.009

收稿日期：2016-03-01。

修訂日期：2016-03-05。

The Application of Three-dimensional Software in Kiln Design

LIANG Shanliang1， LIANG Qing2
（1.Guangdong Zhongyao Kiln Stock Co.， Ltd.， Foshan 528226， Guangdong， China； 2. Anhui University of Technology，Ma’anshan 243002， Anhui， Ghina）

Abstract:This paper introduces the application of three-dimensional software in roller kiln and tunnel kiln. Three-dimensional software for designing kiln can increase designing speed and quality substantially. Using the software will reduce the design error or mistake and avoid the repetition and loss of statistics. When a change occurs to a design， the statistics and drawings will be synchronized and changed accordingly. It’s a great convenience for the designer. Moreover， three dimensional designing visualizes the process of designing and analysis， thus greatly improving the efficiency of designing.

Key words:three-dimensional software； parameter design； BOM chart； visualization； Inventor； motion simulation； three-dimensional piping layout