鐵水罐傾翻機構的研究與分析

周金超

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇210019）

0 引言

鐵水罐是鋼鐵生產企業煉鐵廠運輸鐵水的設備，是鑄鐵機系統重要的設備之一，將裝好鐵水的鐵水罐通過火車或者汽車運送至鑄鐵機車間，由傾翻機構將鐵水罐傾翻，鐵水經過溜槽流到鑄鐵機上。在對鐵水罐的傾翻機構進行設計時，傾翻力矩是傾翻機構設計的重要能力參數，是進行傾翻機構設計的依據，有必要對鐵水罐傾翻時的重心、傾翻力矩等參數進行研究和分析，這樣可以保證機構的強度，并且對液壓缸的選型更加的準確經濟。以前對于重心傳統的計算方法結果不夠精確，而且費時費力，現在利用Inventor軟件進行三維建模研究分析，能夠快速準確地得出傾翻過程中鐵水罐和翻轉架的重心、傾翻力矩等參數的變化情況，而且還可以利用三維模型進行有限元分析，分析傾翻機構的受力情況是否合理。

1 鐵水罐的傾翻機構原理

現以某煉鐵廠的150 t鐵水罐為例，圖1是鐵水罐傾翻機構總圖，圖2是鐵水罐傾翻機構的初始狀態模型。鐵水罐放置在翻轉架上，鐵水罐和翻轉架通過翻轉軸被液壓缸推起，繞著固定底座旋轉。液壓缸的中間鉸軸固定在固定底座上，另一端的扁頭與翻轉軸連接，液壓缸盡量靠近固定底座的左端，這樣傾翻機構占地較小，減少液壓缸推力臂的大小，液壓缸穩定性較好，而且整個傾翻過程中液壓缸擺動角度較小。利用液壓缸作為傾翻動力不但可以滿足傾翻機構按一定的方向傾翻，而且比傳統的卷揚機傾動對傾翻角度的控制更加準確平穩，傾翻機構更加安全可靠經濟。

圖1 鐵水罐傾翻機構總圖

圖2 鐵水罐傾翻機構的初始狀態模型

2 傾翻機構的傾翻性能分析

2.1 傾翻機構的參數

鐵水密度：6 800 kg/m3，最大鐵水重量：180 t，耐火材料的密度：2 400 kg/m3，鐵水罐罐體密度：7 850 kg/m3，固定底座和翻轉架的密度：7 850 kg/m3。為了簡化計算，鋼渣忽略不計。

2.2 建立傾翻機構的三維模型

分別對鐵水、耐火材料、鐵水罐體、翻轉架和固定底座建立模型。首先對鐵水建立模型，在傾翻過程中，只有鐵水的形狀在變化，鐵水罐最大翻轉角度是105°，分別對翻轉角度從0°開始，每增加10°的情況下對鐵水建立模型，鐵水模型的最上端距離鐵水罐的頂部距離是550 mm，斜面與水平面的角度就是鐵水罐的傾翻角度，圖3是鐵水的三維模型。耐火材料的模型的高度從鐵水罐的底部一直到鐵水罐的頂部，厚度是240 mm。對鐵水罐和翻轉機構進行建模，鐵水罐的模型不考慮罐口的形狀，理想狀態下是截頂圓錐體，壁厚32 mm。圖4是傾翻機構傾翻時的三維模型。

圖3 鐵水的三維模型

圖4 傾翻機構傾翻時的三維模型

2.3 傾翻力矩的計算

傾翻力矩是傾翻機構設計的基本載荷參數，在傾翻到某一角度時傾翻力矩，主要是由鐵水、鐵水罐和翻轉架的重力對翻轉軸引起的力矩，由于傾翻機構中液壓缸所承受的載荷比較大，加上鐵水溫度高，又要保證鐵水安全準確地流入到鐵水溜槽，并且不能產生噴濺，所以鐵水罐和翻轉架在傾翻的時候速度盡量穩定和低速。由液壓缸作為驅動力的傾翻機構不怕過載、阻塞、運行平穩、緩沖性能好；液壓油缸可在閥塊的作用下實現自鎖，保證了鐵水包安全地在參數允許的任意角度內停留，而且占地面積小、安全可靠，能夠很好的滿足傾動的要求[1]。傾翻力矩有以下三部分組成：鐵水的重力引起的力矩，鐵水罐的重力引起的力矩，翻轉架的重力引起的力矩，因此在計算傾翻力矩的時候，先利用inventor軟件的iproperty功能得知鐵水、鐵水罐、翻轉架在某一傾翻角度時的重心坐標，以及傾翻支點B點的坐標，經過計算可以得到重心C點與傾翻支點A點間的重力臂以及液壓缸推力F與傾翻支點A點間的推力臂的大小，從而進行傾翻任意角度時傾翻力矩的計算。圖5是傾翻機構的力矩計算圖，α是傾翻角度。

圖5 傾翻機構的力矩計算圖

如圖5所示，由于傾翻力矩等于鐵水罐和翻轉架繞支點A的力矩。所以：

上式中，M：傾翻力矩；F：液壓缸推力；G：鐵水罐和翻轉架的重量；L1：重力臂；L2：液壓缸推力臂。

2.4 性能參數計算結果

按照上述的方法，計算時先利用inventor軟件的iproperty功能得到鐵水罐和翻轉機構隨傾翻角度變化的重心坐標，以固定底座的左下角為參考坐標系原點，得到重心與支點之間的重力臂值以及液壓缸推力與支點之間的推力臂值，從而進行傾翻任意角度時傾翻力矩的計算[2]。利用inventor軟件對不同傾翻角度下的傾翻機構進行建模型，得出了鐵水罐和翻轉架的重心、傾翻力矩等參數的變化情況，如表1。

表1 鐵水罐的傾翻特性參數表

從表1可以分析出，隨著傾翻角度的增加，鐵水罐與翻轉架的重量逐漸減少，鐵水罐與翻轉架的重心相對于固定轉軸的X軸坐標先增加后減少，鐵水罐與翻轉架的重心相對于固定轉軸的Z軸坐標一直增加，傾翻角度在20°的時候傾翻力矩最大，液壓缸的推力一開始最大，而后一直減少。重力臂和推力臂的大小先是增加而后減少。

傾翻機構最大傾翻角度是105°，此時從液壓缸的鉸軸點到翻轉軸點的尺寸是5 820 mm，在0°時從液壓缸的鉸軸點到翻轉軸點的尺寸是3 150 mm，從而得出液壓缸的行程是2 670 mm。再根據液壓缸的總推力除以2得出單個液壓缸所受的最大推力是2 623 KN，所以液壓缸的缸徑是500 mm，工作壓力是22 MPa的時候才能達到要求。

2.5 對傾翻機構的有限元分析

（1）固定底座在傾翻0°時的受力分析，此角度鐵水罐和翻轉架重力最大。

對固定支座上翻轉軸進行有限元分析得到的結果是：最大等效應力是190 MPa，取翻轉軸的材料是42CrMo，直徑是320 mm，抗拉強度是1 080 MPa，安全系數達到5，滿足要求。

對固定支座進行有限元分析得到的結果是：最大等效應力是20 MPa，取固定底座的材料是Q345B，應力集中主要在固定支座靠鐵水罐那一側。所以設計過程中，要將這一側的筋板加厚到50 mm以上。

（2）在傾翻20°時的受力分析，此角度鐵水罐和翻轉架的傾翻力矩最大。

對固定支座上翻轉軸進行有限元分析得到的結果是：最大等效應力是229 MPa，取翻轉軸的材料是42CrMo，直徑是320 mm，抗拉強度是1 080 MPa，安全系數達到4，滿足要求。

對固定支座上法蘭接觸面進行有限元分析得到的結果是：最大等效應力是47.3MPa，取固定底座的材料是Q345B，應力集中主要在固定支座的法蘭下部的筋板處。所以設計過程中，要將這一側的筋板多布置多點并且厚度加大達到40 mm以上。

（3）固定支座上翻轉軸要承受鐵水罐、翻轉架的重量和傾翻力矩，固定支座上的翻轉軸開孔處是所受的應力主要集中處，所以在設計過程中要在開孔內部加焊接一個套筒，起到加強和耐磨的作用。

3 結束語

本論文通過inventor軟件分析出鐵水罐和翻轉架在不同位置時的重心和重量，然后計算出傾翻力矩。利用有限元分析，研究液壓傾翻式鐵水罐的傾翻機構的強度是否滿足了設計要求，在分析過程中找到所受應力比較集中的作用點，并對此部分進行設計優化，使液壓傾翻機構的設計能滿足現場使用要求。