雷麗萍

(太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027)

轉(zhuǎn)爐托圈結(jié)構(gòu)應(yīng)力的有限元分析

雷麗萍

(太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030027)

采用ANSYS有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)爐托圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。首先，利用三維CAD軟件對(duì)轉(zhuǎn)爐托圈進(jìn)行建模；其次，構(gòu)建了托圈有限元模型，在翻轉(zhuǎn)60°工況下施加了約束和載荷；最后，基于ANSYS有限元分析平臺(tái)，通過(guò)對(duì)托圏進(jìn)行有限元分析，得到托圈的變形及應(yīng)力分布圖，為托圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方法和依據(jù)。

轉(zhuǎn)爐托圈；有限元法；結(jié)構(gòu)應(yīng)力

0 引言

轉(zhuǎn)爐是用于吹煉鋼的冶金爐，而轉(zhuǎn)爐托圈是轉(zhuǎn)爐非常關(guān)鍵的傳動(dòng)和承載部件，在實(shí)際工作中不僅要承受自重、爐體、爐殼，爐襯、鋼液等靜負(fù)荷，而且還承受操作過(guò)程所引起的沖擊負(fù)荷和由于頻繁啟、制動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)負(fù)荷，以及由于轉(zhuǎn)爐爐體、承鋼桶等的熱輻射作用而引起的轉(zhuǎn)爐托圈在軸向、徑向和圓周方向的溫度梯度而產(chǎn)生的熱負(fù)荷。為了保證轉(zhuǎn)爐的正常生產(chǎn)，轉(zhuǎn)爐托圈必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

1 建立托圈的整體模型

轉(zhuǎn)爐托圈由托圈本體和托圈耳軸組成。托圈本體由外殼、筋板、排渣口、鋼板、出水口、吊耳組成。托圈耳軸是在托圈的兩側(cè)各裝一個(gè)耳軸，即傳動(dòng)側(cè)耳軸和非傳動(dòng)側(cè)耳軸，用于吊運(yùn)托圈。托圈耳軸位置一般在托圈高度的中間部位，這樣可使托圈在吊運(yùn)、澆注過(guò)程中保持穩(wěn)定。本文選擇的托圈外殼材料是16Mn，內(nèi)部鋼板選擇Q235，托圈耳軸為35鋼。轉(zhuǎn)爐托圈本體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但托圈耳軸的設(shè)計(jì)有一定的難度。為了增加耳軸傳動(dòng)能力，將耳軸與托圈本體連接處設(shè)計(jì)成實(shí)體柱體。傳動(dòng)側(cè)耳軸的鍵槽是相互呈120°的切向鍵鍵槽，便于傳動(dòng)。在不影響后續(xù)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，建模時(shí)對(duì)托圈進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：忽略軸端的倒角；忽略托圈上、下蓋板圓角；內(nèi)外腹板內(nèi)部的8個(gè)孔距邊緣留有一定尺寸余量；忽略進(jìn)水孔以及焊縫處的影響，將焊縫處按同材質(zhì)處理。托圈模型如圖1所示。

2 轉(zhuǎn)爐托圈結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 構(gòu)建轉(zhuǎn)爐托圈有限元模型

將采用三維繪圖軟件Pro/E繪制的托圈三維模型以x-t的格式導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化之后的托圈模型并不復(fù)雜，這里單元類(lèi)型定義為Solid 45，可以滿足有限元分析要求。托圈的材料為16Mn，各特性參數(shù)如下：彈性模量E=2×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服極限為345 MPa。選用E50的焊條，這種焊條的最小抗拉強(qiáng)度為500 MPa，因此在選用E50焊條的情況下，取接頭處屈服極限和抗拉強(qiáng)度為345 MPa。

圖1 托圈模型

采用三維實(shí)體Solid 45對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，在設(shè)置“Smart Size”的數(shù)值時(shí)，值設(shè)置的不易過(guò)小，否則會(huì)在模型應(yīng)力相對(duì)集中部位網(wǎng)格劃分得非常細(xì)小，精度相應(yīng)很高；而精度太高，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算速度太慢，故數(shù)值設(shè)置適當(dāng)就可，這里設(shè)置“Smart Size”的值為6。另外考慮到本體和鋼板處有焊接，如按兩個(gè)單元來(lái)劃分會(huì)比較粗糙，對(duì)后面的分析會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此將二者合并為一體，用一個(gè)單元來(lái)劃分[1]。在單元?jiǎng)澐謺r(shí)把各個(gè)單元邊的長(zhǎng)度設(shè)置為0.03 m，共得到112 389個(gè)單元和31 744個(gè)節(jié)點(diǎn)。得到有限元模型如圖2所示。

2.2 施加約束

考慮轉(zhuǎn)爐托圈的實(shí)際工況，在轉(zhuǎn)爐托圈的非傳動(dòng)側(cè)耳軸上表面處采用完全約束，也就是對(duì)3個(gè)移動(dòng)自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度都進(jìn)行約束，主要目的為模擬驅(qū)動(dòng)力偶的作用。在傳動(dòng)側(cè)耳軸一側(cè)約束加在鍵槽的兩個(gè)表面，大面加Y約束，小面加Z約束，其目的也是模擬驅(qū)動(dòng)力矩的作用。

圖2 托圈的有限元模型

2.3 施加載荷

托圈所受外載荷來(lái)自爐體、托圈和鋼水的自重。本工況是爐體傾動(dòng)60°，轉(zhuǎn)爐自重160 000 kg，鋼水重140 000 kg。轉(zhuǎn)爐在裝滿鋼水后，托圈除了受到鋼水的重力作用，托圈還受到轉(zhuǎn)爐爐體自重，而托圈的6個(gè)耳轂兩兩均勻分布在托圈下蓋板，相鄰兩組耳轂間隔角度為120°，由于轉(zhuǎn)爐是通過(guò)6個(gè)耳轂與托圈連接的，因此轉(zhuǎn)爐爐體自重應(yīng)該加在6個(gè)耳轂的根部?jī)?nèi)表面上，耳轂的矩形面積為0.037 5 m2，則托圈與耳轂接觸面所受壓力p1=4 877 160 Pa，p2=p3=7 361 427 Pa。施加完載荷的有限元模型[2]如圖3所示。

圖3 施加載荷后的有限元模型

2.4 求解并查看結(jié)果

有限元分析結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可以看出，托圈最大應(yīng)力為32.3 MPa，最小應(yīng)力為67 875 Pa，最大變形量為0.461 mm；最大應(yīng)力發(fā)生在傳動(dòng)側(cè)耳軸上鍵槽處，最大變形則發(fā)生在托圈前側(cè)中間部位。

3 結(jié)論

以上分析反映了轉(zhuǎn)爐托圈在翻轉(zhuǎn)60°時(shí)的應(yīng)力和變形情況，從圖4中可以看出托圈所受最大應(yīng)力為32.3 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在傳動(dòng)側(cè)耳軸上靠近吊耳的鍵槽處，而轉(zhuǎn)爐托圈所用的材料是16Mn，屬于塑性材

圖4 在傾角60°時(shí)托圈應(yīng)力云圖(整體圖)

圖5 在傾角60°時(shí)托圈應(yīng)力云圖(應(yīng)力最大處)

圖6 在傾角60°時(shí)托圈變形圖

[1] 劉武.基于萬(wàn)向聯(lián)軸器的ANSYS有限元分析[J].輕工科技,2012(11):54-55.

[2] 王慶五，左昉，胡仁喜.機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3] 陳精一.ANSYS工程分析實(shí)例教程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

Finite Element Analysis of Converter Trunnion Ring

LEI Li-ping

( Taiyuan City Vocational College，Taiyuan 030027, China)

This paper analyzes the structure of the converter trunnion ring with ANSYS finite element software. Firstly, the model of the converter trunnion ring is set up by use of 3-dimension CAD software; Then, the finite element model of the ring is built, and the constraints and load is imposed under the working condition with the rotation angle of 60°; Finally, on the basis of finite element analysis platform, the deformation and stress nephograms of the trunnion ring are got. The analysis results may lay the foundation for the optimum design of trunnion rings.

converter trunnion ring; finite element method; structure stress

1672- 6413(2015)06- 0070- 02

2015- 05- 21；

2015- 10- 10

雷麗萍(1976-)，女，山西晉中人，講師，碩士，主要從事教學(xué)工作。

TP391.7∶TF748.2

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