铁水罐倾翻机构的研究与分析

周金超

（中冶华天工程技术有限公司，江苏210019）

0 引言

铁水罐是钢铁生产企业炼铁厂运输铁水的设备，是铸铁机系统重要的设备之一，将装好铁水的铁水罐通过火车或者汽车运送至铸铁机车间，由倾翻机构将铁水罐倾翻，铁水经过溜槽流到铸铁机上。在对铁水罐的倾翻机构进行设计时，倾翻力矩是倾翻机构设计的重要能力参数，是进行倾翻机构设计的依据，有必要对铁水罐倾翻时的重心、倾翻力矩等参数进行研究和分析，这样可以保证机构的强度，并且对液压缸的选型更加的准确经济。以前对于重心传统的计算方法结果不够精确，而且费时费力，现在利用Inventor软件进行三维建模研究分析，能够快速准确地得出倾翻过程中铁水罐和翻转架的重心、倾翻力矩等参数的变化情况，而且还可以利用三维模型进行有限元分析，分析倾翻机构的受力情况是否合理。

1 铁水罐的倾翻机构原理

现以某炼铁厂的150 t铁水罐为例，图1是铁水罐倾翻机构总图，图2是铁水罐倾翻机构的初始状态模型。铁水罐放置在翻转架上，铁水罐和翻转架通过翻转轴被液压缸推起，绕着固定底座旋转。液压缸的中间铰轴固定在固定底座上，另一端的扁头与翻转轴连接，液压缸尽量靠近固定底座的左端，这样倾翻机构占地较小，减少液压缸推力臂的大小，液压缸稳定性较好，而且整个倾翻过程中液压缸摆动角度较小。利用液压缸作为倾翻动力不但可以满足倾翻机构按一定的方向倾翻，而且比传统的卷扬机倾动对倾翻角度的控制更加准确平稳，倾翻机构更加安全可靠经济。

图1 铁水罐倾翻机构总图

图2 铁水罐倾翻机构的初始状态模型

2 倾翻机构的倾翻性能分析

2.1 倾翻机构的参数

铁水密度：6 800 kg/m3，最大铁水重量：180 t，耐火材料的密度：2 400 kg/m3，铁水罐罐体密度：7 850 kg/m3，固定底座和翻转架的密度：7 850 kg/m3。为了简化计算，钢渣忽略不计。

2.2 建立倾翻机构的三维模型

分别对铁水、耐火材料、铁水罐体、翻转架和固定底座建立模型。首先对铁水建立模型，在倾翻过程中，只有铁水的形状在变化，铁水罐最大翻转角度是105°，分别对翻转角度从0°开始，每增加10°的情况下对铁水建立模型，铁水模型的最上端距离铁水罐的顶部距离是550 mm，斜面与水平面的角度就是铁水罐的倾翻角度，图3是铁水的三维模型。耐火材料的模型的高度从铁水罐的底部一直到铁水罐的顶部，厚度是240 mm。对铁水罐和翻转机构进行建模，铁水罐的模型不考虑罐口的形状，理想状态下是截顶圆锥体，壁厚32 mm。图4是倾翻机构倾翻时的三维模型。

图3 铁水的三维模型

图4 倾翻机构倾翻时的三维模型

2.3 倾翻力矩的计算

倾翻力矩是倾翻机构设计的基本载荷参数，在倾翻到某一角度时倾翻力矩，主要是由铁水、铁水罐和翻转架的重力对翻转轴引起的力矩，由于倾翻机构中液压缸所承受的载荷比较大，加上铁水温度高，又要保证铁水安全准确地流入到铁水溜槽，并且不能产生喷溅，所以铁水罐和翻转架在倾翻的时候速度尽量稳定和低速。由液压缸作为驱动力的倾翻机构不怕过载、阻塞、运行平稳、缓冲性能好；液压油缸可在阀块的作用下实现自锁，保证了铁水包安全地在参数允许的任意角度内停留，而且占地面积小、安全可靠，能够很好的满足倾动的要求[1]。倾翻力矩有以下三部分组成：铁水的重力引起的力矩，铁水罐的重力引起的力矩，翻转架的重力引起的力矩，因此在计算倾翻力矩的时候，先利用inventor软件的iproperty功能得知铁水、铁水罐、翻转架在某一倾翻角度时的重心坐标，以及倾翻支点B点的坐标，经过计算可以得到重心C点与倾翻支点A点间的重力臂以及液压缸推力F与倾翻支点A点间的推力臂的大小，从而进行倾翻任意角度时倾翻力矩的计算。图5是倾翻机构的力矩计算图，α是倾翻角度。

图5 倾翻机构的力矩计算图

如图5所示，由于倾翻力矩等于铁水罐和翻转架绕支点A的力矩。所以：

上式中，M：倾翻力矩；F：液压缸推力；G：铁水罐和翻转架的重量；L1：重力臂；L2：液压缸推力臂。

2.4 性能参数计算结果

按照上述的方法，计算时先利用inventor软件的iproperty功能得到铁水罐和翻转机构随倾翻角度变化的重心坐标，以固定底座的左下角为参考坐标系原点，得到重心与支点之间的重力臂值以及液压缸推力与支点之间的推力臂值，从而进行倾翻任意角度时倾翻力矩的计算[2]。利用inventor软件对不同倾翻角度下的倾翻机构进行建模型，得出了铁水罐和翻转架的重心、倾翻力矩等参数的变化情况，如表1。

表1 铁水罐的倾翻特性参数表

从表1可以分析出，随着倾翻角度的增加，铁水罐与翻转架的重量逐渐减少，铁水罐与翻转架的重心相对于固定转轴的X轴坐标先增加后减少，铁水罐与翻转架的重心相对于固定转轴的Z轴坐标一直增加，倾翻角度在20°的时候倾翻力矩最大，液压缸的推力一开始最大，而后一直减少。重力臂和推力臂的大小先是增加而后减少。

倾翻机构最大倾翻角度是105°，此时从液压缸的铰轴点到翻转轴点的尺寸是5 820 mm，在0°时从液压缸的铰轴点到翻转轴点的尺寸是3 150 mm，从而得出液压缸的行程是2 670 mm。再根据液压缸的总推力除以2得出单个液压缸所受的最大推力是2 623 KN，所以液压缸的缸径是500 mm，工作压力是22 MPa的时候才能达到要求。

2.5 对倾翻机构的有限元分析

（1）固定底座在倾翻0°时的受力分析，此角度铁水罐和翻转架重力最大。

对固定支座上翻转轴进行有限元分析得到的结果是：最大等效应力是190 MPa，取翻转轴的材料是42CrMo，直径是320 mm，抗拉强度是1 080 MPa，安全系数达到5，满足要求。

对固定支座进行有限元分析得到的结果是：最大等效应力是20 MPa，取固定底座的材料是Q345B，应力集中主要在固定支座靠铁水罐那一侧。所以设计过程中，要将这一侧的筋板加厚到50 mm以上。

（2）在倾翻20°时的受力分析，此角度铁水罐和翻转架的倾翻力矩最大。

对固定支座上翻转轴进行有限元分析得到的结果是：最大等效应力是229 MPa，取翻转轴的材料是42CrMo，直径是320 mm，抗拉强度是1 080 MPa，安全系数达到4，满足要求。

对固定支座上法兰接触面进行有限元分析得到的结果是：最大等效应力是47.3MPa，取固定底座的材料是Q345B，应力集中主要在固定支座的法兰下部的筋板处。所以设计过程中，要将这一侧的筋板多布置多点并且厚度加大达到40 mm以上。

（3）固定支座上翻转轴要承受铁水罐、翻转架的重量和倾翻力矩，固定支座上的翻转轴开孔处是所受的应力主要集中处，所以在设计过程中要在开孔内部加焊接一个套筒，起到加强和耐磨的作用。

3 结束语

本论文通过inventor软件分析出铁水罐和翻转架在不同位置时的重心和重量，然后计算出倾翻力矩。利用有限元分析，研究液压倾翻式铁水罐的倾翻机构的强度是否满足了设计要求，在分析过程中找到所受应力比较集中的作用点，并对此部分进行设计优化，使液压倾翻机构的设计能满足现场使用要求。