三維CAD軟件Solid Edge在渣罐傾翻力矩計算上的應用①

胡加學， 李　東

(中冶華天工程技術有限公司， 江蘇 南京　210019)

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三維CAD軟件Solid Edge在渣罐傾翻力矩計算上的應用①

胡加學， 李東

(中冶華天工程技術有限公司， 江蘇 南京210019)

應用三維CAD軟件Solid Edge對8 m3渣罐罐體和傾翻過程中的液態鋼渣進行建模，分別得出不同狀態下的質量和質心坐標等數據，利用該數據計算渣罐的傾翻力矩。該方法直觀實用，為渣罐的傾翻力矩計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重要的容器之一，為了將液態鋼渣倒入渣池中進一步處理，它在使用過程中需經起重機進行頻繁地傾翻操作。在傾翻過程中，渣罐的重心、傾翻力矩等參數會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，也是合理選擇起重機吊鉤傾翻能力大小的重要依據。

具有回轉體形狀的冶金容器的傾翻力矩計算可采用積分計算，但較為復雜[1]。利用三維CAD軟件Solid Edge，可以輕易地得到冶金容器的實體模型。利用軟件自帶的特性分析工具，能獲得實體的質量、質心坐標、質量慣性矩等物理參數，利用這些參數，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軸的交點為坐標原點，以旋轉軸方向為z軸、耳軸中心線方向為y軸、垂直于z和y軸的方向為x軸建立三維坐標系，對渣罐進行建模。建模過程分為兩步，先對罐體建模，再對液態鋼渣進行建模。

1.1罐體建模

根據8 m3鑄鋼渣罐的二維圖紙創建三維實體零件，并按實際使用材料指定密度屬性，按實際的裝配關系進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液態鋼渣建模

由于重力的作用，液態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。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。根據以上特性，創建一個液態鋼渣充滿渣罐內腔的實體模型，指定其密度為鋼渣密度。采用一個垂直于Oxz平面、經過y軸且與Oxy平面夾角為α的平面切割模型，假設傾翻角度為α′時，液態鋼渣開始流出，則有：

當傾翻角度α<α′時，模型的體積與鋼渣的初始體積相等。

當傾翻角度α≥α′時，切割平面經過渣罐包口頂點。

鋼渣液面的確定方法如圖2所示。

圖2　液態鋼渣的液面確定

2　渣罐傾翻力矩計算

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

計算前作以下規定：

(1)傾翻角的方向：渣罐繞耳軸中心旋轉時，規定Oxz平面內逆時針方向旋轉的角度為正值，反之為負。

(2)傾翻力矩的符號：能使渣罐繞耳軸中心產生逆時針方向轉動的力矩為正，反之為負。

2.1罐體的傾翻力矩

查詢渣罐罐體模型的物理屬性，得到罐體質量m0=12689 mm，質心坐標x0=-26 mm，y0=0，z0=610 mm。

渣罐罐體在不同傾翻角度時的傾翻力矩由下式計算

Mk=mkgRksin(α-θk)/1000

(1)

2.2液態鋼渣的傾翻力矩

為了方便計算，切割模型時，液態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鋼渣三維模型。查詢該模型在Oxz平面內的質心坐標(x,z),按下式將Oxz平面內的坐標變換成旋轉α角度后Ox′z′平面內的坐標(x′，z′)。

(2)

不同傾翻角度時剩余液態鋼渣的傾翻力矩由下式計算

Ms=msgx′/1000

(3)

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

2.3渣罐的傾翻力矩合成

將同一傾翻角度時罐體與液態鋼渣的傾翻力矩按下式進行合成

(4)

式中M為渣罐的傾翻力矩(kN·m)。

將渣罐繞耳軸沿順時針方向旋轉，步長5°，將罐體的傾翻力矩、液態鋼渣的傾翻力矩、合成力矩結算結果列在表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　結束語

渣罐在傾翻狀態過程中，內部液態鋼渣的質心

和重量隨傾翻角度的變化而變化。應用三維CAD軟件Solid Edge，可以獲得不同傾翻角度下液態鋼渣的質心和重量。結合解析幾何知識，可以比較容易地得出旋轉過程中的傾翻力矩變化情況，較公式法計算簡便和直觀。

[1]李朝東.一種計算爐液傾動力矩的簡便算法[J].華東冶金學院學報，1995，12(2)：234—238.

[2]高耀東，王春香，關麗坤.ANSYS在計算鋼水包傾翻特性中的應用[J].機械設計與制造，2007，(6)：164—165.

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

[4]孫巖，李繼宏，蘭勇，等.基于3D的150 t轉爐傾動力矩的計算[J].重型機械，2010，(6)：65—68.

2016-02-03

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

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