Inventor在計算鐵水包傾翻力矩中的應用

供稿|朱海亮/ZHU Hai-liang

內(nèi)容導讀

以 70 t 鐵水包為例,文章介紹應用 Inventor 軟件對冶金容器進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),為冶金容器的設計優(yōu)化提供依據(jù),并對配套設備(如傾翻電機、起重機)的設計、選取提供數(shù)據(jù)支持.

在進行鐵水包的設計時,須計算鐵水包的重心、傾翻力矩、出水角度等參數(shù),以便確定合理的耳軸位置,選擇合理的配套設備 (如鐵水傾翻車的傾翻電機、天車副鉤) 等,使鐵水包及配套設備運行的經(jīng)濟安全.

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

而 Autodesk 公司推出的Inventor 軟件,功能非常強大,不僅可以方便的進行三維模型的繪制,而且可以很方便的轉化為工程圖直接出圖,目前在各大設計院中應用的越來越廣泛.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,計算過程簡單快捷,結果準確可靠.

在此以某廠 70 t 鐵水包為例,簡單的介紹一下 Inventor 軟件在計算鐵水包、鋼包、轉爐、渣罐等冶金容器重心、傾翻力矩中的應用.

70 t 鐵水包傾翻特性的計算過程

計算的 70 t 鐵水包的結構如圖 1 所示,設計容量 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 鐵水包結構圖

為了計算方便,在對計算結果影響不大的基礎上,進行了合理的簡化,具體如下:

(1) 忽略耳軸與天車板鉤之間的摩擦、鐵水包傾翻機構的影響;

(2) 忽略渣層及包口粘渣的影響;

(3) 假設傾翻過程較慢,鐵水液面始終維持水平狀態(tài);

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

(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、拉伸、衍生等命令,繪制鐵水包外殼的各個零件圖,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) 應用切片法進行鐵水包傾翻力矩的計算,具體方法見"切片法進行鐵水包傾翻力矩的計算"所述.

在傾翻過程中,假設鐵水液面保持水平,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.

下面簡要介紹一下切片法計算傾翻力矩的過程,此方法也適用于鋼水包、轉爐的傾翻力矩計算.

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,此時鐵水液面及重量是遠遠大于鐵水的實際重量的.在計算過程中,隨著傾翻的進行,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,以鐵水包嘴為基準點做水平面,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).

計算結果

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 坐標軸上的坐標.

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.

將計算結果進行處理,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,由于包嘴的存在,鐵水包重心處于 x 軸正方向上,隨著傾翻的進行,鐵水包重心逐漸向 x 軸負向移動,在 75° 左右時達到最大,為 -515 mm.

(2) 鐵水包在垂直狀態(tài)時力矩為正 (以圖示坐標軸方向),隨著傾翻的進行,傾翻力矩轉變?yōu)樨?并逐漸增大,在傾翻到 50° 左右時達到最大.

(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.

結束語

應用 Inventor 軟件,可以方便的進行三維模型的建模及數(shù)據(jù)計算,通過一些技巧的應用,可以方便的進行鐵水包的傾翻力矩的計算,且計算方法較為簡便,計算周期較短,精度較高,為配套設備的設計提供了依據(jù).該方法簡單易學,推廣開來,也可以為鋼水包、轉爐、渣罐等冶金設備的設計、計算提供依據(jù).