楊 琦

（1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

引言

攔焦車(chē)運(yùn)行于焦?fàn)t焦側(cè)軌道上，主要功能之一是開(kāi)閉焦?fàn)t焦側(cè)炭化室爐門(mén)，待焦炭成熟后，由焦?fàn)t機(jī)側(cè)的推焦車(chē)將焦炭推出炭化室，通過(guò)攔焦車(chē)的導(dǎo)焦柵將紅焦導(dǎo)入熄焦車(chē)或焦罐內(nèi)。

取門(mén)裝置是攔焦車(chē)的關(guān)鍵部件之一[1]，爐門(mén)開(kāi)閉需要取門(mén)裝置有精準(zhǔn)的定位，其前部在掛取爐門(mén)時(shí)會(huì)承受較大的載荷，一旦取門(mén)裝置因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足發(fā)生變形，會(huì)存在爐門(mén)開(kāi)閉困難甚至爐門(mén)掉落的風(fēng)險(xiǎn)。因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和力學(xué)方法很難進(jìn)行準(zhǔn)確的力學(xué)分析和校核，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員往往將其簡(jiǎn)化，雖能大致計(jì)算出取門(mén)裝置的整體剛度及強(qiáng)度，但對(duì)于關(guān)鍵位置的局部應(yīng)力就很難計(jì)算出來(lái)。近年來(lái)隨著焦?fàn)t攔焦車(chē)向輕量化、智能化發(fā)展，更高的安全需求被提出，因此需要采用更精確的計(jì)算方法。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，以某7 m 焦?fàn)t攔焦車(chē)取門(mén)裝置為案例，研究了取門(mén)裝置在極限工況下整體和關(guān)鍵部位的力學(xué)性能，并分析了取門(mén)裝置最大變形和應(yīng)力分布狀況，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化減重及安全性能提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

1 取門(mén)裝置的組成及原理

取門(mén)裝置主要由取門(mén)機(jī)、旋轉(zhuǎn)架、取門(mén)臺(tái)車(chē)、軌道架、S 軌道、驅(qū)動(dòng)油缸等組成。如圖1 所示，取門(mén)機(jī)與旋轉(zhuǎn)架相連，用于掛取炭化室爐門(mén)，旋轉(zhuǎn)架與取門(mén)臺(tái)車(chē)通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸承連接。

其工作原理為[2]：取爐門(mén)時(shí)，取門(mén)臺(tái)車(chē)在驅(qū)動(dòng)油缸的推動(dòng)下帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)架和取門(mén)機(jī)在軌道架上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)架下部的滾輪沿著S 軌道的路徑運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)架和取門(mén)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式為前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)的合成。待旋轉(zhuǎn)架下部滾輪脫離S 軌道范圍后，取門(mén)臺(tái)車(chē)在驅(qū)動(dòng)油缸的推動(dòng)下帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)架和取門(mén)機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，到達(dá)取門(mén)位置后操作取門(mén)機(jī)將爐門(mén)掛在取門(mén)機(jī)上下兩個(gè)掛鉤上將爐門(mén)取下。此時(shí)取門(mén)裝置伸出最遠(yuǎn)，旋轉(zhuǎn)架和取門(mén)機(jī)較初始位置旋轉(zhuǎn)90°，且整體受到爐門(mén)的載荷，處于極限位置（取門(mén)旋轉(zhuǎn)架90°工況）。隨后驅(qū)動(dòng)油缸縮回，各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程與油缸伸出過(guò)程相反，待驅(qū)動(dòng)油缸縮回到位后，旋轉(zhuǎn)架和取門(mén)機(jī)帶動(dòng)爐門(mén)旋轉(zhuǎn)90°回到初始極限位置（取門(mén)旋轉(zhuǎn)架0°工況）。

2 分析模型的建立

根據(jù)7m焦?fàn)t攔焦車(chē)取門(mén)裝置零部件圖，在有限元分析軟件中建立了取門(mén)裝置三維實(shí)體模型，如圖2 所示。

利用有限元分析軟件，分別對(duì)取門(mén)裝置中各部件采用四面體十節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，油缸、軸采用1D beam 單元模擬，螺栓連接采用剛性連桿單元模擬，單元總數(shù)為447 526，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為904 954，兩種工況下的有限元分析模型分別如圖3、圖4 所示。

3 有限元分析計(jì)算

在建立的有限元分析模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工況和各類(lèi)參數(shù)，對(duì)取門(mén)裝置整體及關(guān)鍵部位在極限工況下的變形量和應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算[3]。

3.1 材料的力學(xué)性能

7 m 焦?fàn)t攔焦車(chē)取門(mén)裝置主體材料為Q235B，其力學(xué)性能如表1 所示。

表1 Q235B 力學(xué)性能

3.2 載荷工況及邊界約束條件

7 m 焦?fàn)t攔焦車(chē)取門(mén)裝置取門(mén)機(jī)所承受的載荷為10 t，方向?yàn)樨Q直向下。取門(mén)臺(tái)車(chē)軌道架采用固定約束，臺(tái)車(chē)上部油缸支座處施加沿臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度方向平動(dòng)自由度。取門(mén)機(jī)結(jié)構(gòu)擺動(dòng)架與滑動(dòng)架之間采用接觸算法、取門(mén)臺(tái)車(chē)架與車(chē)輪、取門(mén)臺(tái)車(chē)架與側(cè)導(dǎo)向輥輪之間采用接觸算法。取門(mén)旋轉(zhuǎn)架0°工況時(shí)，S 軌道底部采用固定約束，導(dǎo)向輥輪與S 軌道之間采用接觸算法。

3.3 有限元分析結(jié)果

圖5、圖6 為取門(mén)裝置取門(mén)旋轉(zhuǎn)架90°工況時(shí)的位移云圖以及Von Mises 等效應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在受載10 t 時(shí)，整體最大X 向位移為17.37 mm，局部最大應(yīng)力為196.71 MPa，出現(xiàn)在取門(mén)機(jī)滑動(dòng)架吊鉤處。

圖7、圖8 為取門(mén)裝置取門(mén)旋轉(zhuǎn)架0°工況時(shí)的位移云圖以及Von Mises 等效應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在受載10 t 時(shí)，整體最大Y 向位移為14.45 mm，局部最大應(yīng)力為196.56 MPa，出現(xiàn)在取門(mén)機(jī)滑動(dòng)架吊鉤處。

4 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)7 m 焦?fàn)t攔焦車(chē)取門(mén)裝置進(jìn)行有限元分析，能夠直觀、準(zhǔn)確地得到取門(mén)裝置結(jié)構(gòu)變形情況以及關(guān)鍵零部件的應(yīng)力分布。通過(guò)分析結(jié)果可知，在不考慮焊接處疲勞、焊縫初始缺陷的情況下，取門(mén)裝置在掛取爐門(mén)后，旋轉(zhuǎn)架等部件的最大應(yīng)力未超過(guò)材料的許用應(yīng)力值，取門(mén)機(jī)掛取爐門(mén)門(mén)鉤處局部應(yīng)力超過(guò)材料的許用應(yīng)力值，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)及減重提供了參考依據(jù)。此外，取門(mén)機(jī)和旋轉(zhuǎn)架會(huì)產(chǎn)生一定的變形量，通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)的研究可以用于指導(dǎo)取門(mén)機(jī)實(shí)際工作時(shí)的姿態(tài)調(diào)整，確保爐門(mén)的安全開(kāi)閉。