重型裝備三維數(shù)字化設計流程與要點

唐興貴 趙國宏 和文云

摘要：本文以昆鋼重裝集團鋼包三維數(shù)字化設計實例，敘述數(shù)字化設計在重型裝備制造過程中的一般流程、要點，對重型裝備制造企業(yè)使用三維數(shù)字化設計技術(shù)具備一定的指導意義。

關鍵詞：重型裝備;三維數(shù)字化;設計;應用

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

近年來，國內(nèi)重型裝備制造業(yè)的競爭態(tài)勢日趨激烈，經(jīng)濟下行壓力以及生產(chǎn)成本和人力成本的上升，導致制造業(yè)在轉(zhuǎn)型中為提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、增強產(chǎn)品創(chuàng)新和管理能力愈來愈重視數(shù)字化技術(shù)應用，以期為企業(yè)贏得競爭優(yōu)勢。

1 三維數(shù)字化設計方法

“自下而上”和“自上而下”為兩種為典型裝配式三維數(shù)字化設計方法，設計工作先建模零件，有零件裝配成部件，由部件組裝到產(chǎn)品的設計方法稱為“自下而上”。設計工作由裝配體開始，而先描述產(chǎn)品整體，產(chǎn)品被分解成各自獨立的零部件，根據(jù)各部分順序?qū)⒘悴考纸鉃楦〉牧慵?，直到最后分解成單個零件的設計方法稱為“自上而下”。

2 120T鋼包結(jié)構(gòu)分析

2.1結(jié)構(gòu)

鋼包作為鋼鐵企業(yè)盛鋼水的容器，其內(nèi)砌筑耐火磚，鋼水由底部的口流出，進行澆鑄。作用一是煉鋼和連鑄工藝的中間容器，二可用作鋼水精煉處理工藝操作的容器也;鋼包工況的好壞直接影響生產(chǎn)過程中鋼水的質(zhì)量、爐襯的壽命、生產(chǎn)節(jié)奏以，對最終鋼材的質(zhì)量和生產(chǎn)成本有極大影響 [1]。

鋼包由外殼、內(nèi)襯和注流控制結(jié)構(gòu)三部分構(gòu)成。焊接有箍圈和加強筋的外殼由鍋爐鋼板焊接形成，鋼包壁和包底選用厚度約為14mm～30mm和24mm～40mm的鋼板。為減少表面積和擁有良好的保溫效果，一般鋼包的外表面近似球形。砌磚后的鋼包深度h與鋼包上口內(nèi)徑D的比值（高寬比）約等于1。鋼包內(nèi)型做成上大下小的（倒錐度）圓錐臺形，以便利于在澆注完畢后鋼渣和爐渣的傾倒以及冷鋼、渣塊清理。依據(jù)上面原則，取15%的錐度（降低1m的高度，縮減0.15m的鋼包直徑）[2]。

2.2設計要點

以《鋼鐵廠設計》下冊（李傳薪主編P128-129）為整個設計過程的參考，根據(jù)鋼包的鋼水量、鋼包渣量及鋼包容積等參數(shù)可以得知鋼包基本尺寸與容量P的關系如下：

上口直徑：D=0.667P^（1/3）;筒高：H=0.667P^（1/3）;底高：D_H=0.567P^（1/3）

根據(jù)式1、式2、式3，在不考慮內(nèi)襯厚度一致的情況下，把鋼包主要部分基本參數(shù)推導出，如圖1所示。

在實際容積保證為0.20P的情況下，若加厚磚襯部分，則增大σ值加以擴大修正。表示為： ？K×0.637D^3=0.20P 。K為093～0.96的一個系數(shù)。K值其目的是加厚磚襯部分減小了4～7%得容積，式乘以系數(shù)K用于彌補容積不足，得到下部內(nèi)徑（如表1所示）

3三維數(shù)字化設計流程

120T鋼包的三維數(shù)字化設計在Inventor2019軟件中進行，產(chǎn)品零部件的三維數(shù)字化建模作為基礎，用三維裝配取代二維裝配，用于制造的三維數(shù)字化模型和二維工程圖，經(jīng)優(yōu)化設計后輸出為制造過程數(shù)據(jù)[3]。

在設計原理方案和具體設計要求確定產(chǎn)品后，按數(shù)字化與裝配技術(shù)（DPA）的設計流程來進行120T鋼包的設計，包含的4個設計階段可分為：需求分析、概念設計、設計建模、分析評價[4]。

3.1需求分析

鋼包是鋼鐵企業(yè)中煉鋼廠生產(chǎn)所用的鋼水的裝載、運輸專業(yè)裝備。以昆鋼為例，隨著300m？高爐及30T轉(zhuǎn)爐的關停，本部產(chǎn)能積壓在6#高爐及60T轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)線。生產(chǎn)能力的提高也增加了鋼包的需求。在滿足內(nèi)部生產(chǎn)使用需求的同時，在現(xiàn)有技術(shù)條件和生產(chǎn)經(jīng)驗上結(jié)合市場環(huán)境，在設計70T、80T鋼包參數(shù)時在60t、120t鋼包技術(shù)圖紙的基礎上運用三維數(shù)字化設計軟件來指導生產(chǎn)[5]。

3.2概念設計

在概念設計階段以企業(yè)設計標準、規(guī)則、模板及標準件庫等，在充分完成產(chǎn)品分析需求的基礎上，更新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的部分設計。

3.3設計建模

鋼包主體結(jié)構(gòu)由鋼水灌筒體、耳軸、拉桿及輔助部件等組成，筒體部分由筒體、上下箍圈、包底、腰帶板、口圈及翻包耳座組成，拉桿由拉桿座和拉桿組成，通過耳軸掛在龍門吊架上，實現(xiàn)鋼包的移動或由行車小鉤拉動拉桿，實現(xiàn)鋼包的翻轉(zhuǎn)倒渣。該設計采用鋼水灌筒體、拉桿座、拉桿、耳軸等結(jié)構(gòu)方式。

根據(jù)鋼水罐用途及結(jié)構(gòu)，首先按部件逐級分解的原則，將鋼水罐分為幾個大模塊：筒體、耳座、拉桿、拉桿座以及輔助設備模塊。筒體與耳座存在位置關系，拉桿與拉桿座間存在動配合關系，并由此確定整個鋼包布局，把產(chǎn)品骨架建立，建立后發(fā)布到各個模塊中，對應模塊由設計人員分別完成;完成鋼包的總體裝配并驗證、優(yōu)化后[5]，鋼包整體設計結(jié)束。其中，骨架及布局的設計是整個設計過程中需特別注意，骨架和部件由產(chǎn)品的模塊組成，以及彼此間的連接、參照關系等設計要素構(gòu)成簡單幾何圖形、參數(shù)、尺寸[6]。

根據(jù)設計，需要為筒體零件設計一個包底時，先形成筒體和包底的及輔助部件的基本參考草圖，保證參考草圖中的鏈接關系，包底是通過旋轉(zhuǎn)草圖而得到。顯然包底是自適應的，當筒體零件的尺寸發(fā)生改變時，包底也會隨之改變。

3.4分析評價

掌握產(chǎn)品的組成原理和動力學性能作為設計分析階段的主要內(nèi)容，其目的是充分使用現(xiàn)有產(chǎn)品模型并發(fā)揮其有效性，為后期的驗證及改進設計提供依據(jù)[7]。主要分析結(jié)構(gòu)、運動和動力。結(jié)構(gòu)分析目的是對部件間的組成的了解及部件間運動關系，依據(jù)鋼包裝配原則分解已知構(gòu)件為原動件、機架、桿組，同時確定機構(gòu)對應級別;已知運動規(guī)律的原動件分析運動，對應構(gòu)件運動規(guī)律算出后確定各構(gòu)件運動過程中的空間大小、干涉;分析動力目的是以構(gòu)件中的反作用力作為所分析動力，從而完成零件的強度校核和疲勞分析，盡早發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題和缺陷，從而優(yōu)化設計，提高產(chǎn)品的設計效率和成功率。

4結(jié)語

能夠科學合理的應用三維數(shù)字化設計技術(shù)，產(chǎn)品的研發(fā)周期可以極大縮短，同時保證設計的正確性和準確性，是重型裝備制造企業(yè)進行企業(yè)創(chuàng)新和優(yōu)化設計的重要技術(shù)手段之一，找出并優(yōu)化產(chǎn)品設計缺陷，可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力。

參考文獻

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[3] 葛本伍，任軍，楊會海，等.90t鋼包壓板降本改造[J].中國科技博覽，2012（12）：252.

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[6]吳迪.鋼包運輸車快速設計系統(tǒng)開發(fā)研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2014.

[7]吳峰，王良熙.大中型裝備三維數(shù)字化設計流程及要點：以某型號兆瓦級風力發(fā)電機為例[J].福建農(nóng)機，2015（3）：41-43.

收稿日期：2020-01-22

作者簡介：唐興貴（1984—），男，云南安寧人，本科，自動控制工程師，研究方向：工業(yè)機器人、機械零件三維數(shù)字化。

3D Digital Design Process and Key Points of Heavy Equipment ：Take 120T ladle from Kunming Iron & Steel Heavy Equipment Group as an example

TANG Xing-gui ，ZHAO Guo-hong，HE Wen-yun

（Kunming Institute of Industrial Technology， Kunming Yunnan? 650302）

Abstract： This article uses the example of 3D digital design of the ladle of Kunming Iron and Steel Heavy Equipment Group Co.， Ltd. to describe the general process and main points of digital design in the manufacturing process of heavy equipment.

Keywords： heavy equipment; 3D digitization; design; application