300t轉(zhuǎn)爐傾翻力矩有限元分析計(jì)算與耳軸位置確定的研究

1、300t轉(zhuǎn)爐傾翻力矩有限元計(jì)算與耳軸位置確定的研究摘要 采用大型通用有限元分析軟件ansys提供的模型力學(xué)計(jì)算工具及其逐行解釋性的apdl(ansys parametric design language)參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，對(duì)300t轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩進(jìn)行了分析、計(jì)算，繪出了轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩曲線，并對(duì)傾動(dòng)力矩進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)耳軸位置確定提供了可靠依據(jù)，對(duì)轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)具有較重要的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞 ansys 參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 轉(zhuǎn)爐 耳軸位置 傾動(dòng)力矩study of finite element analysis & calculation of tilting moment and trunnion pos

2、ition confirming for 300t converterjiang zhihao(bsiet mechanical dept., beijing 100043)abstract this paper analyzes and calculates the tilting moment of 300t converter with the calculation tool of model mechanics and a scripting parametric design languages apdl supported by finite element analysis s

3、oftware ansys. it presents the moment curve, optimizes the moment, and provides the reliable causes for trunnion position confirming. it has the important reference value to converter design.key words apdl converter trunnion position tilting momentansys軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大而靈活的大型通用有限元分析軟件，提供的模型力學(xué)特性計(jì)算工具能方便地對(duì)模型包括

4、模型體積、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心坐標(biāo)等參數(shù)的模型力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算；ansys提供apdl(ansys parametric design language)參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有一般程序語(yǔ)言的功能，如參數(shù)、宏、標(biāo)量、向量及矩陣運(yùn)算、分支、循環(huán)、重復(fù)以及訪問(wèn)ansys有限元數(shù)據(jù)庫(kù)等，另外還提供簡(jiǎn)單界面定制功能，實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機(jī)制、界面驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行應(yīng)用程序等23；本文利用ansys軟件提供的上述功能對(duì)某廠300t轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)算，繪制傾動(dòng)力矩曲線；計(jì)算最大傾動(dòng)力矩構(gòu)成情況，確定耳軸最佳位置。1 概 述傾動(dòng)力矩是轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，計(jì)算它的目的是：確定額定傾動(dòng)力矩值，作為傾動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

5、的依據(jù)；確定轉(zhuǎn)爐最佳的耳軸位置。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩由四部分組成：m=mk1+mk2+md+mm式中 mk1爐殼和爐襯產(chǎn)生的空爐力矩(由爐殼和爐襯重量引起的靜助力矩)，空爐的質(zhì)心與耳軸中心的距離可以改變，在傾動(dòng)過(guò)程中，空爐力矩mk1與傾動(dòng)角度和耳軸位置存在線性函數(shù)關(guān)系；mk2-托圈等爐殼聯(lián)接裝置產(chǎn)生的空爐力矩，它只是傾動(dòng)角度簡(jiǎn)單的正弦函數(shù)；md爐液力矩(爐內(nèi)液體(包括鐵水和渣)引起的靜力矩)，在傾動(dòng)過(guò)程中，爐液的質(zhì)心位置是變化的，出鋼時(shí)其質(zhì)量也發(fā)生變化，均隨傾動(dòng)角度的變化而變化，故md與傾動(dòng)角度和耳軸位置也存在函數(shù)關(guān)系；mm轉(zhuǎn)爐耳軸上的摩擦力矩，它在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)過(guò)程中變化較復(fù)雜，爐液末倒出前呈定值關(guān)系，在

6、有爐液倒出與倒完之間呈復(fù)雜非線性關(guān)系，以后呈定值關(guān)系；由于這些數(shù)值較小可視為常量或者略去。本文將對(duì)耳軸摩擦力矩進(jìn)行較精確計(jì)算(µ-摩擦系數(shù)；對(duì)滑動(dòng)軸承取µ=0.1-0.15；對(duì)滾動(dòng)軸承取µ=0.05；本文計(jì)算時(shí)取µ=0.05)。耳軸摩擦力矩mm的方向總是與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，所以在傾動(dòng)全過(guò)程中都是正值1。將爐殼和爐襯產(chǎn)生的力矩與托圈等爐殼聯(lián)接裝置產(chǎn)生的力矩合成為空爐力矩：mk=mk1+ mk2，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩改為m=mk+md+mm，即轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩可改為由三部分組成。2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)求解2.1 用ansys軟件建立轉(zhuǎn)爐的三維模型用ansys軟件提供的apdl語(yǔ)言編程

7、建立300t轉(zhuǎn)爐的三維實(shí)體模型，整體簡(jiǎn)化模型如圖1所示23；三維模型主要由轉(zhuǎn)爐本體、轉(zhuǎn)爐連接裝置和爐液三部分等組成，計(jì)算時(shí)模型中主要材料參數(shù)見(jiàn)表14。計(jì)算坐標(biāo)按如下規(guī)定選?。阂赞D(zhuǎn)爐對(duì)稱軸線為y軸，y軸與耳軸中心線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，x軸在轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)方向上，z軸通過(guò)耳軸軸線。圖 1 300t轉(zhuǎn)爐整體簡(jiǎn)化模型表1 材料屬性材料彈性模量mpa泊松比密度kg·m-3鋼2.068e50.307850耐熱磚50000.202950爐液20000.2570002.2 初定轉(zhuǎn)爐耳軸位置轉(zhuǎn)爐爐型是指轉(zhuǎn)爐砌筑后的內(nèi)部形狀，其爐型選擇由煉鋼工藝要求確定，滿足一定噸位煉鋼要求，其形狀相對(duì)較為固定；影響傾動(dòng)力

8、矩曲線的主要因素是爐型和耳軸位置。耳軸位置確定為：h+h0，見(jiàn)圖4，h設(shè)為定值，在本例中設(shè)為h=5800mm，h0可正可負(fù)，表明耳軸位置可以任意移動(dòng)，以獲得不同的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩及傾動(dòng)力矩曲線。2.3 轉(zhuǎn)爐爐體的力學(xué)特性求解圖2為300t轉(zhuǎn)爐本體爐殼、耐材實(shí)體模型(新?tīng)t情況)，爐口粘鋼可以很方便地加到模型中，本文不模擬爐口粘鋼情況。經(jīng)計(jì)算，在坐標(biāo)系xoy下的質(zhì)心坐標(biāo)為xc1=0.0mm，yc1=-(254.398+h0)mm，質(zhì)量mass1=1015598.3kg。老爐力學(xué)參數(shù)省略。圖2 300t轉(zhuǎn)爐空爐實(shí)體模型2.4 轉(zhuǎn)爐連接支撐裝置的力學(xué)特性求解大型轉(zhuǎn)爐連接裝置包括耳軸、托圈、球面支撐裝置和彈

9、簧板連接裝置；圖3為300t轉(zhuǎn)爐的連接支撐裝置三維實(shí)體簡(jiǎn)化模型，經(jīng)計(jì)算，在坐標(biāo)系xoy下的質(zhì)心坐標(biāo)為xc2=0.0mm，yc2=-260.249mm，質(zhì)量mass2=290854.2kg。圖3 300t轉(zhuǎn)爐連接裝置簡(jiǎn)化實(shí)體模型2.5爐液的模型力學(xué)特性求解1)求解基本思想 如圖4，在傾動(dòng)角度下的aa位置將充滿爐型的爐液進(jìn)行切割，右下角剩余爐液是所需爐液，比如353t（300t轉(zhuǎn)爐最大冶煉能力，含320t鋼水和33t鋼渣）；aa數(shù)值的求解是本文的關(guān)鍵，利用ansys提供的模型力學(xué)特性計(jì)算工具和apdl語(yǔ)言進(jìn)行編程計(jì)算，可以很好地得到解決；本“切割法”的基本思想是對(duì)按爐型建立的三維實(shí)體模型進(jìn)行有限次

10、切割，使剩下的爐液盡量接近353t，由于計(jì)算結(jié)果受計(jì)算機(jī)計(jì)算精度制約，模擬爐液的質(zhì)量可以達(dá)到只差1kg以內(nèi)，見(jiàn)表2，滿足工程計(jì)算需要。圖 4 爐液力矩計(jì)算示意圖2)轉(zhuǎn)爐盛353t爐液傾動(dòng)30°時(shí)爐液形態(tài)模擬簡(jiǎn)介根據(jù)300t轉(zhuǎn)爐爐型創(chuàng)建"全爐液體積"宏文件(命令流程序略去)23。執(zhí)行"全爐液體積"宏文件生成全爐液實(shí)體模型見(jiàn)圖5。 圖5 轉(zhuǎn)爐爐液全實(shí)體模型 圖6 轉(zhuǎn)爐爐液實(shí)體中間模型 圖7 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)30°爐液實(shí)體模型對(duì)圖5模型進(jìn)行一次切割(aa=0)，得到圖6的爐液形態(tài)，由于爐液質(zhì)量超過(guò)353t，仍需繼續(xù)對(duì)模型切割。對(duì)圖6模型進(jìn)行二次切割

11、(aa為經(jīng)過(guò)編程計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)，aa=2118.62725mm)，得到的模型是所需模型，其質(zhì)量為353t，表示轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)30°時(shí)爐液形態(tài)的實(shí)體模型，見(jiàn)圖7。3)經(jīng)過(guò)apdl語(yǔ)言編程計(jì)算，求得轉(zhuǎn)爐每?jī)A動(dòng)5°情況下?tīng)t液在圖4定義的坐標(biāo)系xoy中質(zhì)心的xc和yc坐標(biāo)。表2列出了新?tīng)t、老爐爐液傾動(dòng)過(guò)程中每?jī)A動(dòng)10°情況下質(zhì)心位置的計(jì)算結(jié)果，它是后續(xù)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。表 2 爐液基本參數(shù)(h0=0)傾動(dòng)角度(°)新?tīng)t老爐爐液質(zhì)量(kg)質(zhì)心x坐標(biāo)(mm)質(zhì)心y坐標(biāo)(mm)爐液質(zhì)量(kg)質(zhì)心x坐標(biāo)(mm)質(zhì)心y坐標(biāo)(mm)0353000.070-3189.503530

12、00.260-3810.4510353000.03319.82-3161.35353000.04474.45-3768.7520353000.19630.85-3078.09353000.24933.48-3646.1130353000.06929.57-2938.49353000.191323.96-3464.7340353000.171209.42-2742.31353000.171654.03-3233.7650353000.101471.38-2479.33353000.241947.63-2939.4060353000.211730.02-2106.83353000.282226.2

13、1-2538.6570353000.011989.06-1545.60353000.072508.61-1924.2980353000.022184.89-806.20353000.482732.79-1078.1090296100.272371.21111.49353000.342823.12-4.0110076047.752732.611831.988129832.993112.371641.9311012242.682809.273090.4523694.063205.363092.5671200000003 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩計(jì)算3.1 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩計(jì)算轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩計(jì)算示例：設(shè)置耳軸位置h0

14、=0.0mm，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)30°時(shí)新?tīng)t各力矩值計(jì)算如下：3.1.1爐液產(chǎn)生的爐液傾翻力矩mdmd=m (xccos()-(yc-h0)sin()=353000.06(929.57cos(-30°)-(-2938.49-0.0)sin(-30°)=-229.78(×104n.m)(2)爐殼耐材產(chǎn)生的空爐傾翻力矩mk1mk1=mass1(xc1cos(-)-(yc1-h0)sin(-) =1015598.3(0.0cos(-30°)-(-254.398-0.0)sin(-30°) =-126.60(×104n.m)(3)托圈等爐殼連

15、接裝置產(chǎn)生的傾翻力矩mk2mk2=mass2(xc2cos(-)-yc2sin(-) =290854.2(0.0cos(-30°)-(-260.249)sin(-30°) =-37.09(×104n.m)(4)合成空爐力矩mkmk=mk1+mk2 =-126.60-37.09 =-163.69(×104n.m)(5)耳軸摩擦阻力矩mmmm=-(mt(,1,1)+mass1+mass2)µ 1320/2=-(353000.06+1015598.3+290854.2)0.05×1320/2=-53.66(x104n.m)(6)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)合成

16、力矩m=-(md+mk1+mk2+mm) =-(-229.78-126.60-37.09-53.66)(x104n.m) =447.13(×104n.m)式中：為傾翻角度(30°)，見(jiàn)圖4和表2。3.2 傾動(dòng)力矩曲線其余角度計(jì)算省略。傾動(dòng)力矩曲線：傾動(dòng)力矩m隨傾動(dòng)角度而變化，即m=f()，這一函數(shù)關(guān)系通常可用m-曲線表示，稱之為傾動(dòng)力矩曲線。用橫坐標(biāo)表示傾動(dòng)角度，縱坐標(biāo)表示各傾動(dòng)力矩m。利用計(jì)算結(jié)果繪制傾動(dòng)曲線圖，圖8和圖9表示h0=0、爐液質(zhì)量353t時(shí)的傾動(dòng)力矩曲線圖：圖8為新?tīng)t傾動(dòng)力矩曲線圖；圖9為老爐傾動(dòng)力矩曲線圖。圖 8 新?tīng)t傾動(dòng)力矩曲線圖 9 老爐傾動(dòng)力矩曲線4

17、 耳軸位置確定及優(yōu)化 取不同的h0進(jìn)行傾動(dòng)力矩計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表3列出最大傾動(dòng)力矩時(shí)的空爐力矩和爐液力矩及耳軸相對(duì)高度。表3 最大傾動(dòng)力矩構(gòu)成情況(爐液353t)耳軸位置mm相對(duì)高度h0mm新?tīng)t老爐最大力矩x104 n·m發(fā)生角度(°)爐液力矩x104 n·m空爐力矩x104 n·m最大力矩x104 n·m發(fā)生角度(°)爐液力矩x104 n·m空爐力矩x104 n·m6200+4001144.3365433.14657.521045.5865490.18512.546000+200904.3962.5383.

18、77466.95861.8463.75431.80387.435850+50727.3261.25343.00330.65725.7263.75385.26297.6058000669.1360331.95283.51680.6562.5373.07264.725750-50611.0758.75320.06237.33635.6962.5357.73235.105600-200440.3856.25280.01106.69501.7061.25314.2779.535400-400223.3451.25224.84-55.16326.2458.75256.5826.8041確定耳軸位置的原則

19、按照大型轉(zhuǎn)爐從安全觀點(diǎn)出發(fā)多采用“全正力矩”原則來(lái)選擇耳軸位置，即其耳軸位置應(yīng)選得高一些。但耳軸位置過(guò)高，又會(huì)使傾動(dòng)力矩過(guò)大，而造成傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)容量及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸的增大，使其投資相應(yīng)增加。因此耳軸最佳位置的確定，既要考慮安全性，又要考慮經(jīng)濟(jì)性。42確定最佳耳軸位置的條件式要使轉(zhuǎn)爐在任何傾角下都能自動(dòng)返回零位，就必須保證在傾動(dòng)過(guò)程中空爐力矩和爐液力矩的合成值均大于摩擦力矩，如若使其經(jīng)濟(jì)合理就要取其臨界限，因此確定最佳耳軸位置的條件式為：0<(mk+md)minmm式中(mk+md)min傾動(dòng)過(guò)程中，空爐力矩和爐液力矩合成的最小值。由于m=mk+md+mm，所以上式改寫成：mmin2mm1

20、。43確定最佳耳軸位置的修正值根據(jù)確定最佳耳軸位置條件式得出：h0(mk+md)min-mm)/(massk+massd)sin()式中:為最小傾動(dòng)力矩的傾角，空爐質(zhì)量massk= mass1+ mass2，massd為爐液質(zhì)量。查取圖8中數(shù)據(jù)，耳軸位置修正值計(jì)算如下：h0(3235698-1011024)-453067)/(1306452.5+94497.8)·9.8·sin(98.75)=0.13(mm)h0數(shù)值較小，說(shuō)明本300t大型轉(zhuǎn)爐初設(shè)耳軸位置h=5800mm確定較為合理。5 結(jié)束語(yǔ)1)轉(zhuǎn)爐爐型根據(jù)煉鋼工藝要求確定，經(jīng)計(jì)算確定耳軸位置，根據(jù)傾動(dòng)力矩設(shè)計(jì)傾動(dòng)裝置，通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算出300t轉(zhuǎn)爐在凍爐情況時(shí)的傾動(dòng)力矩為：新?tīng)t1459.59 ×104n·m，老爐1649.61×104n·m；將最大傾動(dòng)力矩值乘上一附加系數(shù)作為傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的計(jì)算