武 剛，郭 嘉，王冬林，齊國權(quán)

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710065;2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000)

0 前言

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)是連續(xù)鑄鋼起始階段的關(guān)鍵設(shè)備，具有承上啟下的重要作用。它伸開的回轉(zhuǎn)臂兩端放置鋼水包，作業(yè)時(shí)接受鋼水，然后旋轉(zhuǎn)到另一方向澆灌，保證連續(xù)鑄鋼的持續(xù)性，要求具有較高的可靠性與安全性［1］。

國內(nèi)某鋼廠連鑄工程鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)單臂承載240t，回轉(zhuǎn)半徑5500 mm，本文利用三維有限元軟件ANSYS 對(duì)回轉(zhuǎn)臂進(jìn)行了有限元分析。

1 回轉(zhuǎn)臂模型的建立

1.1 回轉(zhuǎn)臂幾何模型

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在連鑄車間煉鋼跨和連鑄跨之間的澆鑄平臺(tái)上，是連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)的重要設(shè)備，由一組套筒與鋼梁頂板、底板、筋板等構(gòu)成，屬于大型框架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜，鋼板形狀不規(guī)則?；剞D(zhuǎn)臂部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:回轉(zhuǎn)臂是鋼板焊接結(jié)構(gòu)件，要求在滿足承載能力的條件下，必須對(duì)其重量進(jìn)行嚴(yán)格的限制，因此各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是薄壁、空腔、多加強(qiáng)筋。

回轉(zhuǎn)臂作為鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的主要承載部件，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，又要求具有較高的可靠性和安全性，因此本文完全根據(jù)圖紙，按照回轉(zhuǎn)臂實(shí)際結(jié)構(gòu)使用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/ENGNEER 進(jìn)行精確建模，只是對(duì)不影響結(jié)果的少數(shù)特征進(jìn)行簡化，提高有限元運(yùn)算速度。再利用通用的IGES 格式實(shí)體文件格式導(dǎo)入ANSYS 中生成物理模型。由于ANSYS 可以同Pro/ENGNEER 進(jìn)行無縫連接，而Pro/ENGNEER 的幾何建模功能無疑將比ANSYS的前處理器要強(qiáng)大很多。在ANSYS環(huán)境中經(jīng)過系統(tǒng)配置后，就可以將該模型導(dǎo)入進(jìn)ANSYS環(huán)境中做進(jìn)一步的分析。圖1為回轉(zhuǎn)臂幾何模型。

圖1 回轉(zhuǎn)臂幾何模型Fig.1 Geometric model of revolving arm

1.2 回轉(zhuǎn)臂載荷模型

本文所研究的240t 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的兩個(gè)回轉(zhuǎn)臂可以單獨(dú)升降，采用液壓驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)回轉(zhuǎn)臂支撐在回轉(zhuǎn)框架上一起旋轉(zhuǎn)，其升降機(jī)構(gòu)為一四連桿機(jī)構(gòu)。升降系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)簡圖如圖2 所示(升降系統(tǒng)對(duì)稱鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)，本圖只畫出單側(cè)升降系統(tǒng))，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)升降系統(tǒng)包括回轉(zhuǎn)臂1、頂升液壓缸2、連桿3 和下支撐桿4。

圖2 載荷模型示意圖Fig.2 Diagram of load model

本文主要研究回轉(zhuǎn)臂在接受鋼包時(shí)的強(qiáng)度和剛度(因?yàn)榇藭r(shí)回轉(zhuǎn)臂受沖擊載荷，最為危險(xiǎn))，整個(gè)四桿機(jī)構(gòu)受到的外力為鋼包(滿包重量)載荷以及液壓缸的推力?；剞D(zhuǎn)臂接受鋼包時(shí)要求回轉(zhuǎn)臂(桿1)在固定鉸支座A 處無線位移，在鉸點(diǎn)C 處承受動(dòng)載荷Fpd，B 處受到油缸推力t，連桿(桿3)對(duì)回轉(zhuǎn)臂的力與240 t 載荷相比可忽略不計(jì)。

對(duì)回轉(zhuǎn)臂(桿1)受力分析:在回轉(zhuǎn)臂接受鋼包時(shí)，鋼包作用在C 點(diǎn)的沖擊力Fpd對(duì)A 點(diǎn)產(chǎn)生的力矩與頂升液壓缸推力T 對(duì)A 點(diǎn)產(chǎn)生的力矩平衡?？紤]回轉(zhuǎn)臂自重，但不考慮其它影響因素(熱應(yīng)力等)。

在鋼包升降的過程中，由液壓缸施加推力T 于B 處，此時(shí)回轉(zhuǎn)臂相當(dāng)于杠桿結(jié)構(gòu)，以A 點(diǎn)為支點(diǎn)，使得C 點(diǎn)完成升降動(dòng)作，其中下支撐桿(桿4)影響連桿(桿3)的位移軌跡，從而使鋼包豎直起落。整個(gè)四桿機(jī)構(gòu)受到的外力為鋼包(滿包重量)載荷以及液壓缸的推力?；剞D(zhuǎn)臂接受鋼包時(shí)要求回轉(zhuǎn)臂(桿1)在固定鉸支座A 處無線位移，在鉸點(diǎn)C 處承受載荷，B 處受到油缸推力t。

1.3 回轉(zhuǎn)臂有限元模型

本文研究的回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)大多數(shù)鋼板焊接件為Q345－ A 合金低碳鋼，部分采用16MnR 低碳合金鋼。16MnR 是鍋爐壓力容器常用鋼材，熱軋或正火。屬低合金鋼，含Mn 量較低。性能與20G(412－ 540)近似，伸長率為19%～21%。

將回轉(zhuǎn)臂幾何模型導(dǎo)入ANSYS 中，輸入材料參數(shù)，采用自由劃分網(wǎng)格的方法，建立有限元模型，回轉(zhuǎn)臂劃分網(wǎng)格共產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)18701，單元58411 個(gè)，單元?jiǎng)澐质疽鈭D如圖3 所示。

圖3 回轉(zhuǎn)臂網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh for revolving arm model

根據(jù)前文所述的載荷模型分析計(jì)算載荷，油缸推力T 和載荷F 分別以壓強(qiáng)的形式施加在鉸支孔半圓孔處，回轉(zhuǎn)臂接受鋼包受到的沖擊載荷，此時(shí)回轉(zhuǎn)臂受力最大，也最危險(xiǎn)，設(shè)定動(dòng)載荷系數(shù)為1.5［2］?？紤]自重，Z 向施加重力載荷;對(duì)A 處的鉸支孔施加XYZ 方向的全約束。對(duì)B 處施加Z 方向的位移約束。

2 回轉(zhuǎn)臂強(qiáng)度分析

2.1 有限元計(jì)算結(jié)果

對(duì)有限元模型設(shè)置完畢后，運(yùn)算求解，得到回轉(zhuǎn)臂第一主應(yīng)力等值線圖如(圖4)，最大第一主應(yīng)力。經(jīng)過運(yùn)算求解得到回轉(zhuǎn)臂Von－mises 應(yīng)力等值線圖如圖5 所示，最大Von－mises 應(yīng)力。

經(jīng)過運(yùn)算求解得到回轉(zhuǎn)臂變形等值線圖，如圖6 所示，回轉(zhuǎn)臂最大形變量為16.44 mm。

2.2 回轉(zhuǎn)臂強(qiáng)度、剛度校核

本文的研究對(duì)象主要是鋼板焊接結(jié)構(gòu)，所采用的鋼板主要是Q345－A 和16MnR 兩種低碳合金鋼，其抗拉強(qiáng)度為470～630 MPa，不同鋼板厚度規(guī)格的屈服極限見表1。

表1 材料屈服極限Tab.1 Mechanical properties of material

對(duì)于現(xiàn)行的鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及安全系數(shù)的確定，大多采用《板坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算》中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上也是來源于起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中所給定的材料的判定準(zhǔn)則，在沖擊系數(shù)=2 時(shí)，進(jìn)行計(jì)算和校核［3］。但是，應(yīng)該注意到，該準(zhǔn)則都是對(duì)利用一般材料力學(xué)計(jì)算方法所得到的結(jié)果——截面平均應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定的。而有限元中得到的最大應(yīng)力是局部的應(yīng)力集中，故首先應(yīng)該明確兩個(gè)概念［4］:

均勻應(yīng)力區(qū):在較大的面積內(nèi)，應(yīng)力幾乎相等的區(qū)域，屈服應(yīng)力的出現(xiàn)將引起結(jié)構(gòu)的永久變形;應(yīng)力集中區(qū):該區(qū)域內(nèi)屈服應(yīng)力的出現(xiàn)不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的永久變形，但會(huì)影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

根據(jù)國內(nèi)起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)中的介紹［5，6］，以及對(duì)幾個(gè)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)詳細(xì)計(jì)算分析的基礎(chǔ)上對(duì)局部應(yīng)力與應(yīng)力集中測(cè)試，分別給出了不同的安全系數(shù)。本文對(duì)于均勻應(yīng)力區(qū)，n=1.5;對(duì)于應(yīng)力集中區(qū)，n=1.1。

表2 回轉(zhuǎn)臂校核結(jié)果Tab.2 Mechanical properties of material

由于回轉(zhuǎn)臂外伸達(dá)到4 m 左右，16 mm 左右的變形是在允許范圍之內(nèi)的，因此剛度符合。

通過對(duì)回轉(zhuǎn)臂的校核，此結(jié)構(gòu)基本滿足設(shè)計(jì)要求，因?yàn)闆_擊載荷的不確定性，以及在實(shí)際操作中的操作規(guī)范，集中應(yīng)力區(qū)的最大應(yīng)力是可以控制的。

由有限元計(jì)算得到的應(yīng)力等值線圖可以看出，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)較大的落差，即某些關(guān)鍵部位應(yīng)力非常大，但是也有部分區(qū)域呈現(xiàn)出了過低的應(yīng)力，這樣的不均衡一方面關(guān)鍵部位容易出現(xiàn)問題，另一方面又在強(qiáng)度儲(chǔ)備過高的地方浪費(fèi)了材料。針對(duì)以上問題，本文將對(duì)回轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn)。

3 回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 回轉(zhuǎn)臂應(yīng)力集中部位的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

經(jīng)過前文分析，總結(jié)回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)存在如下問題，如圖7 所示。

圖7 回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)缺陷圖Fig.7 Structural weaknesses of revolving arm

Ⅰ處:出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度雖然都滿足要求，但應(yīng)該改善應(yīng)力集中，進(jìn)一步提高局部安全系數(shù)。

Ⅱ處:此處為回轉(zhuǎn)臂和回轉(zhuǎn)臺(tái)筒體的鉸接處，為尺寸最小的一個(gè)鉸接孔，該處的應(yīng)力已經(jīng)超過了材料的屈服極限，急需改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

對(duì)I 處應(yīng)力集中部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，根據(jù)原本設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)回轉(zhuǎn)臂前端應(yīng)力集中部位做R=150 mm 的圓角處理，如圖8 所示，將鋼板7 外形做圓角處理，其余鋼板依次在下料焊接過程中保持圓角。原來的5、6 號(hào)鋼板是采用對(duì)焊的方法加工，現(xiàn)在也可以采用折彎的方式直接做圓角處理。

圖8 Ⅰ處結(jié)構(gòu)改進(jìn)Fig.8 Structural improvement at stress concentration section of revolving arm

Ⅱ處應(yīng)力集中出現(xiàn)在尺寸最小的鉸支孔處，該處鋼板厚度為90 mm，孔徑為245 mm 處，如圖8 所示，將鋼板厚度增加至100 mm，將兩個(gè)鉸支孔的直徑擴(kuò)大為D1=315 mm，D2=305 mm。將改進(jìn)后的模型利用前面講述的方法用ANSYS 計(jì)算，驗(yàn)證改進(jìn)方案的正確性。

表3 改進(jìn)前后性能對(duì)比Tab.3 Comparison of mechanical properties before and after improvement

3.2 回轉(zhuǎn)臂強(qiáng)度儲(chǔ)備過高區(qū)域結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

前文提到回轉(zhuǎn)臂局部出現(xiàn)了強(qiáng)度儲(chǔ)備過高，浪費(fèi)材料。針對(duì)這個(gè)問題，本文對(duì)回轉(zhuǎn)臂做以下結(jié)構(gòu)改進(jìn):

(1)將回轉(zhuǎn)臂前端和后端鋼板厚度變小;

(2)中間部位為回轉(zhuǎn)臂和主筒體連接處，也是應(yīng)力最大的部位，結(jié)構(gòu)不做改進(jìn);

(3)厚度改變只針對(duì)外部，不涉及內(nèi)部的加強(qiáng)筋。

本文以5 mm為區(qū)間，逐步降低厚度，利用有限元模擬的辦法，觀察應(yīng)力變化，改進(jìn)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過計(jì)算校核，回轉(zhuǎn)臂前端鋼板厚度降至30 mm，后端降至25 mm，回轉(zhuǎn)臂符合強(qiáng)度要求，應(yīng)力分布趨于均勻，結(jié)構(gòu)合理。通過PRO/E 軟件計(jì)算模型質(zhì)量，回轉(zhuǎn)臂質(zhì)量由原來的24843 kg 下降為21187 kg，降低656 kg，降幅為4%。

4 結(jié)論

(1)本文完全按照回轉(zhuǎn)臂實(shí)際結(jié)構(gòu)建立模型?；剞D(zhuǎn)臂是主要的承重部件，其安全性能非常重要，關(guān)乎到企業(yè)的效益以及人身安全，所以本文建議在回轉(zhuǎn)臂分析過程中模型的建立一定要按照原貌;

(2)利用ANSYS 軟件對(duì)回轉(zhuǎn)臂進(jìn)行有限元分析，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，并找到回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)缺陷為應(yīng)力集中和部分區(qū)域強(qiáng)度儲(chǔ)備過大;

(3)針對(duì)應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力過大的情況，本文對(duì)結(jié)構(gòu)作出了兩點(diǎn)改進(jìn):首先將回轉(zhuǎn)臂前端應(yīng)力集中部位做圓角處理，其次將鉸支孔處的孔徑增大和鋼板厚度增厚。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力下降了25%左右。針對(duì)強(qiáng)度儲(chǔ)備大的地方，鋼板厚度減薄，回轉(zhuǎn)臂重量下降14%。

本文所研究的方法一方面解決了鋼廠的實(shí)際問題，另一方面也對(duì)回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究提供了理論指導(dǎo)。

［1］陶金明.鋼包及鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)［J］.冶金設(shè)備，1992，(5):35－36.

［2］李慧劍，譚文峰，唐慶遠(yuǎn)，等.連桿式鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)載荷特性研究［J］.鋼鐵，1996，(10).

［3］劉明延，李平，欒興家.板坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［4］李富帥.鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)強(qiáng)度計(jì)算中許用應(yīng)力安全系數(shù)的確定［J］.連鑄，2007，(3):18－20.

［5］塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn).中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)［S］.GB/T9462－1999.

［6］塔式起重機(jī)性能實(shí)驗(yàn).中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)［S］.GB/T5031－94.