三维CAD软件Solid Edge在渣罐倾翻力矩计算上的应用①

胡加学， 李　东

(中冶华天工程技术有限公司， 江苏 南京　210019)



三维CAD软件Solid Edge在渣罐倾翻力矩计算上的应用①

胡加学， 李东

(中冶华天工程技术有限公司， 江苏 南京210019)

应用三维CAD软件Solid Edge对8 m3渣罐罐体和倾翻过程中的液态钢渣进行建模，分别得出不同状态下的质量和质心坐标等数据，利用该数据计算渣罐的倾翻力矩。该方法直观实用，为渣罐的倾翻力矩计算提供了另一种途径。

渣罐； 倾翻力矩； 三维CAD； Solid Edge

引　言

盛装钢渣用的渣罐是炼钢厂内重要的容器之一，为了将液态钢渣倒入渣池中进一步处理，它在使用过程中需经起重机进行频繁地倾翻操作。在倾翻过程中，渣罐的重心、倾翻力矩等参数会随着倾翻角度的变化而变化。分析倾翻过程中倾翻力矩的变化情况，是确保倾翻过程安全的重要依据，也是合理选择起重机吊钩倾翻能力大小的重要依据。

具有回转体形状的冶金容器的倾翻力矩计算可采用积分计算，但较为复杂[1]。利用三维CAD软件Solid Edge，可以轻易地得到冶金容器的实体模型。利用软件自带的特性分析工具，能获得实体的质量、质心坐标、质量惯性矩等物理参数，利用这些参数，可以较容易地得到该类容器的倾翻力矩[2-4]。

1　渣罐建模

以渣罐的耳轴中心线与罐体旋转轴的交点为坐标原点，以旋转轴方向为z轴、耳轴中心线方向为y轴、垂直于z和y轴的方向为x轴建立三维坐标系，对渣罐进行建模。建模过程分为两步，先对罐体建模，再对液态钢渣进行建模。

1.1罐体建模

根据8 m3铸钢渣罐的二维图纸创建三维实体零件，并按实际使用材料指定密度属性，按实际的装配关系进行装配后得到罐体的装配模型。渣罐的正视图和三视图如图1所示。

图1　渣罐的正视图和三视图

1.2液态钢渣建模

由于重力的作用，液态钢渣的形状随倾翻角度的变化而变化，但液面保持水平状态。在出渣之前，钢渣的体积不变；在出渣过程中，钢渣的体积不断减少直至为零。根据以上特性，创建一个液态钢渣充满渣罐内腔的实体模型，指定其密度为钢渣密度。采用一个垂直于Oxz平面、经过y轴且与Oxy平面夹角为α的平面切割模型，假设倾翻角度为α′时，液态钢渣开始流出，则有：

当倾翻角度α<α′时，模型的体积与钢渣的初始体积相等。

当倾翻角度α≥α′时，切割平面经过渣罐包口顶点。

钢渣液面的确定方法如图2所示。

图2　液态钢渣的液面确定

2　渣罐倾翻力矩计算

渣罐的倾翻力矩计算分为三步：第一步，计算渣罐罐体的倾翻力矩；第二步，计算不同倾翻角度时渣罐内剩余钢渣的倾翻力矩；第三步：倾翻力矩合成。

计算前作以下规定：

(1)倾翻角的方向：渣罐绕耳轴中心旋转时，规定Oxz平面内逆时针方向旋转的角度为正值，反之为负。

(2)倾翻力矩的符号：能使渣罐绕耳轴中心产生逆时针方向转动的力矩为正，反之为负。

2.1罐体的倾翻力矩

查询渣罐罐体模型的物理属性，得到罐体质量m0=12689 mm，质心坐标x0=-26 mm，y0=0，z0=610 mm。

渣罐罐体在不同倾翻角度时的倾翻力矩由下式计算

Mk=mkgRksin(α-θk)/1000

(1)

2.2液态钢渣的倾翻力矩

为了方便计算，切割模型时，液态钢渣模型保持竖直角度不变，仅改变液面与水平方向的夹角和位置，得到某一角度下的剩余液态钢渣三维模型。查询该模型在Oxz平面内的质心坐标(x,z),按下式将Oxz平面内的坐标变换成旋转α角度后Ox′z′平面内的坐标(x′，z′)。

(2)

不同倾翻角度时剩余液态钢渣的倾翻力矩由下式计算

Ms=msgx′/1000

(3)

式中Ms为剩余液态钢渣的倾翻力矩(kN·m)；ms为剩余液态钢渣的质量(kg)。

2.3渣罐的倾翻力矩合成

将同一倾翻角度时罐体与液态钢渣的倾翻力矩按下式进行合成

(4)

式中M为渣罐的倾翻力矩(kN·m)。

将渣罐绕耳轴沿顺时针方向旋转，步长5°，将罐体的倾翻力矩、液态钢渣的倾翻力矩、合成力矩结算结果列在表1中，倾翻力矩曲线如图3所示。

表1　渣罐的倾翻力矩表

图3　倾翻力矩曲线

3　结束语

渣罐在倾翻状态过程中，内部液态钢渣的质心

和重量随倾翻角度的变化而变化。应用三维CAD软件Solid Edge，可以获得不同倾翻角度下液态钢渣的质心和重量。结合解析几何知识，可以比较容易地得出旋转过程中的倾翻力矩变化情况，较公式法计算简便和直观。

[1]李朝东.一种计算炉液倾动力矩的简便算法[J].华东冶金学院学报，1995，12(2)：234—238.

[2]高耀东，王春香，关丽坤.ANSYS在计算钢水包倾翻特性中的应用[J].机械设计与制造，2007，(6)：164—165.

[3]刘健，马学东，于晓光.130 t铁水罐倾翻特性研究[J].重型机械，2009，(3)：55—57.

[4]孙岩，李继宏，兰勇，等.基于3D的150 t转炉倾动力矩的计算[J].重型机械，2010，(6)：65—68.

2016-02-03

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

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