孫德標(biāo)，王厲剛，楊樹新，馬學(xué)東

（1.遼寧科技大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧鞍山114051；2.秦冶重工設(shè)計(jì)研究院,河北秦皇島06600）

1 引言

鐵水傾翻車是鋼鐵冶金非常重要的一種運(yùn)輸設(shè)備，高爐鐵水注入鐵水罐后，由鐵水傾翻車運(yùn)至脫硫站，傾翻一定角度進(jìn)行扒渣脫硫脫磷處理[1]。其傾動(dòng)力矩是設(shè)計(jì)傾翻機(jī)構(gòu)的必不可少的一個(gè)力能參數(shù)。而現(xiàn)有的傾翻機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)基本上是根據(jù)機(jī)械載荷，采用初等力學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算，計(jì)算精度已不能滿足現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)設(shè)計(jì)的要求。

本文所分析的130 t傾翻車為某重工集團(tuán)2010年5月為一家民營鋼鐵廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，在使用不到半年的過程中，裝入鐵水傾翻時(shí)操作不靈活，當(dāng)較大角度傾翻時(shí)（在極限角度范圍內(nèi)）出現(xiàn)傾動(dòng)過快現(xiàn)象，并且存在與基礎(chǔ)平面經(jīng)常接觸的傾翻架使用壽命短等問題，對(duì)鋼廠的安全生產(chǎn)帶來了很大的隱患，經(jīng)靜力分析其各個(gè)零件的機(jī)械強(qiáng)度足夠，受廠方之邀，對(duì)此型號(hào)傾翻車的實(shí)際傾翻過程中的傾動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析，從最基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中去找問題，為進(jìn)一步的合理設(shè)計(jì)提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

由于實(shí)體傾翻模型的復(fù)雜性，本文通過Solidworks軟件對(duì)130 t鐵水罐傾翻車傾翻機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際尺寸的三維建模和裝配，由于傾翻過程中質(zhì)心是不斷變化的，只有通過實(shí)際模型的傾翻才能準(zhǔn)確的測出質(zhì)心變化位置。進(jìn)而計(jì)算在最大傾翻角度前的傾動(dòng)力矩的變化曲線和液壓推力的變化，為液壓缸的選型提供依據(jù)，同時(shí)滿足整個(gè)傾翻過程中整體重心始終在傾動(dòng)的一側(cè)，保證了全正力矩[2]，滿足傾翻中鐵水不自動(dòng)傾瀉，從而保證了安全性要求。

2 傾翻力矩的計(jì)算

2.1 傾翻計(jì)算的理論方法

傾動(dòng)力矩由空罐力矩、鐵水力矩、傾翻架與基礎(chǔ)平面處摩擦力矩3部分組成，。因此計(jì)算時(shí)先利用SolidWorks軟件的質(zhì)量特性功能[3]得到罐體隨傾翻角度變化的質(zhì)心坐標(biāo)，以傾動(dòng)支點(diǎn)為參考坐標(biāo)系，得到重心與支點(diǎn)之間的距離，以及液壓缸推力與支點(diǎn)之間的動(dòng)力臂值，從而進(jìn)行傾翻任意角度時(shí)傾動(dòng)力矩的計(jì)算。

2.2 最大角度位置時(shí)傾動(dòng)力矩計(jì)算

鐵水傾翻車傾翻時(shí)由于最大角度的限制，不能將鐵水流出，所以在裝入鐵水傾翻時(shí)，鐵水的質(zhì)量和體積在整個(gè)過程中是不變的，但由于鐵水具有流動(dòng)性，所以在傾翻時(shí)隨著傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的傾翻而液面也傾翻一定角度，但始終與基礎(chǔ)平面保持平行[4]，為了計(jì)算在傾翻角度下的力矩值，首先要計(jì)算處各對(duì)應(yīng)傾動(dòng)角度下空罐力矩，鐵水力矩和摩擦力矩。該鐵水罐公稱容量為65 t，承受最大鐵水重量為65 t，最大載重量為130 t，最大傾翻角度35°。

但由于鐵水傾翻車傾翻機(jī)構(gòu)是對(duì)稱機(jī)構(gòu)，傾翻架在罐體的兩側(cè)各一個(gè)，其結(jié)構(gòu)完全一致，取其對(duì)稱部分一側(cè)的傾翻機(jī)構(gòu)和整個(gè)罐體演示傾翻過程，計(jì)算時(shí)仍按實(shí)際操作中的整個(gè)傾翻機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)質(zhì)量特性工具查詢，傾動(dòng)機(jī)構(gòu)和整個(gè)罐體沒裝鐵水時(shí)的總質(zhì)量為26 t,裝入鐵水后傾翻機(jī)構(gòu)和罐體總質(zhì)量為72 t。如圖1所示，下面以傾翻極限位置（35°）為例進(jìn)行計(jì)算，按照此計(jì)算方法每10°計(jì)算一次，分別計(jì)算出傾翻0°～35°的過程中各傾角對(duì)應(yīng)的重心位置坐標(biāo)值，合成力矩值以及液壓缸推力值。

為了計(jì)算裝入鐵水后傾翻極限位置（35°）時(shí)的各項(xiàng)力能參數(shù)，首先用SolidWorks進(jìn)行三維實(shí)體建模并裝配，然后建立以支點(diǎn)為原點(diǎn)的參考坐標(biāo)系和對(duì)傾翻過程中的整體質(zhì)心進(jìn)行確定，得出重力臂值L1，液壓缸推力臂值L2，其模型如圖1所示。

傾翻35°時(shí)的傾動(dòng)力矩計(jì)算：

圖1 傾動(dòng)35°時(shí)的三維圖

式中：Mk為空罐力矩，N·m；My為鐵水力矩，N·m；Mm為摩擦力矩，N·m。

總體重力矩為Mk+My。

式中：L2為重力臂，mm，L2=562 mm；G 為裝入鐵水后傾翻機(jī)構(gòu)和罐體總質(zhì)量為72 t；

摩擦力矩Mm

式中：Gk為空罐及傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的總重力，N；Gy為裝入鐵水的總重力，N；k為變形臂，取k=C2，按赫茨理論[5]，圓柱形扇形板與直軌的接觸面寬度的半值：

式中：P為弧形板上的載荷，N；R弧形板半徑，m，R=1.389 m；h1為弧形板與導(dǎo)軌接觸寬度，m。

對(duì)支點(diǎn)O1取矩

式中：L1為推力臂，mm，L1=2625 mm；F1為液壓缸總推力，N。

把上述數(shù)值帶入公式求解得F1=154443 N，

再根據(jù)受力分析由三角形余弦定理[6]，求得F2=513809 N；F2為總傾翻機(jī)構(gòu)和罐體對(duì)導(dǎo)軌接觸處的總壓力，N。

3 結(jié)果分析

利用上述方法分別計(jì)算0°～35°時(shí)傾翻的各項(xiàng)力能參數(shù)，在此基礎(chǔ)上繪制出隨傾翻架角度α變化的傾動(dòng)力矩曲線M（α）和液壓缸推力F（α）曲線，見圖 2、圖 3。

首先根據(jù)以上計(jì)算得到傾翻力矩值，繪出該鐵水傾翻車總傾動(dòng)力矩M（α）曲線，總重力矩曲線和空罐重力矩曲線，如圖2所示。

圖2 力矩曲線圖

圖 3 F(α)曲線圖

通過圖2分析可知，隨著傾翻角度增加，總的合成力矩（M）逐漸增大。數(shù)據(jù)曲線分析顯示，在0°～30°，隨角度增加合成速率逐漸增加，在 20°～30°之間合成力矩增加速率最快，30°～35°，速率又逐漸減慢，到達(dá)極限位置時(shí)合成力矩最大為406664 N·m。從曲線中也可以清楚地看出裝入鐵水的總體重力矩（Mk+My）與總合成力矩曲線（M）大體相同，說明裝入鐵水時(shí)的總重力矩值是總合成力矩值中最大的一部分，起決定性作用，同時(shí)也說明了傾翻架與導(dǎo)軌的接觸處的摩擦力矩很小。所以對(duì)傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中首先要考慮傾翻車所允許承受的最大力矩的范圍。

由圖3F（α）曲線分析判定，液壓缸總推力F1在傾角20°～35°之間較大，最大推力值出現(xiàn)在35°，最大值不超過160000 N,設(shè)計(jì)傾翻機(jī)構(gòu)的液壓缸時(shí)應(yīng)滿足其推力在最大值范圍內(nèi)。圖3中A線代表罐體和傾翻機(jī)構(gòu)對(duì)導(dǎo)軌的接觸壓力曲線，由該曲線可以清楚地看到在傾角0°～35°的變化過程中，與導(dǎo)軌接觸處的壓力F2逐漸增大，但增加的幅度不大，35°時(shí)達(dá)到最大值，其值為513809 N，但由于傾動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)稱性，每個(gè)傾翻架與導(dǎo)軌接觸的壓力為總體接觸壓力F2的一半。綜上結(jié)果分析，為液壓缸的選型和傾翻機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了現(xiàn)實(shí)的參考數(shù)據(jù)。

4 原設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)問題的原因分析及調(diào)整

（1）傾翻極限位置時(shí)傾動(dòng)力矩過大，而實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)滿足傾翻力矩隨傾翻角度的增加而減慢增加速率，如圖2結(jié)果分析中的30°～35°時(shí)狀況相同。

（2）傾翻架的弧形部分半徑太大，造成摩擦力矩較大，導(dǎo)致傾翻架與鐵水罐耳軸之間的摩擦力矩較大，降低了傾翻架的使用壽命。由于設(shè)計(jì)中鐵水的傾翻力矩為主要的傾動(dòng)力矩，可以在傾動(dòng)角度一定的情況下，適當(dāng)?shù)販p小傾翻架弧形部分的半徑，這樣可以使罐體的移動(dòng)量減小，更易于接受鐵水，同時(shí)也減小了摩擦力矩。

5 結(jié)論

（1）所計(jì)算的傾動(dòng)力矩值為傾翻系統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算提供了基礎(chǔ)的力能參數(shù)，為液壓缸的選型提供了理論數(shù)據(jù)。

（2）在傾翻角度 0°～35°變化過程中，始終保證了全正力矩，當(dāng)傾翻35°時(shí)其最大力矩為406664 N·m，其最大液壓缸推力為154443 N。

（3）由于鐵水傾翻裝置模型比較復(fù)雜，采用三維實(shí)際模型進(jìn)行計(jì)算分析比傳統(tǒng)的計(jì)算方法更加精確，為國內(nèi)傾翻車傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了方便快捷的途徑。

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[2]冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院.煉鐵機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1985：15-18.

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