基于有限元法的鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張雷

摘要：文章對(duì)單臂承載能力為230t的鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了負(fù)載為280t情況下的受力分析，得到了鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在280t負(fù)載情況下的靜態(tài)應(yīng)力分布，并以此為依據(jù)優(yōu)化改進(jìn)了原230t鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，使其承載能力升級(jí)。

關(guān)鍵詞：鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)；有限元；靜力分析；承載能力升級(jí)

中圖分類號(hào)：TF341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）09-0044-04

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)是設(shè)在連鑄機(jī)澆鑄位置上方用于運(yùn)載鋼包過(guò)跨和支承鋼包進(jìn)行澆鑄的設(shè)備。它是連鑄機(jī)生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備之一，起著連接上下兩道工序的重要作用。

蝶形鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)由底座、升降液壓缸、回轉(zhuǎn)架、鋼包支座、回轉(zhuǎn)臂、平行連桿、鞍形座、驅(qū)動(dòng)裝置、防護(hù)板等組成，其單臂承載能力為230t。為降低人工成本，節(jié)約時(shí)間，利用以前設(shè)計(jì)的原單臂承載能力230t鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)，利用有限元軟件計(jì)算載荷在280t情況下的受力情況，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，達(dá)到承載要求。

1 有限元分析模型的建立

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)是由大量的鋼板通過(guò)焊接組成的結(jié)構(gòu)件，本文將厚長(zhǎng)比小于1/15的構(gòu)件采用殼單元處理。

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)，液壓缸有推力作用，本分析中把液壓缸的推力當(dāng)成系統(tǒng)內(nèi)力，用剛性單元代替，如圖1所示：

圖2是鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)支撐臂處在接放鋼包狀態(tài)時(shí)的有限元分析模型。

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)各部分材料機(jī)械性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2 邊界條件

2.1 約束

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)是靠底座上的40個(gè)M72的螺栓固定在設(shè)備基礎(chǔ)上，因此分析時(shí)用模擬螺栓作用的剛性單元代替實(shí)際螺栓，并施加全約束載荷。如圖3所示為底座約束局部圖。

2.2 載荷

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)所受到的載荷為裝置自身的重力載荷和承受的鋼包、鋼水重力載荷。

2.2.1 自身重力載荷。鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)裝置自身重力載荷：1720281.6N（175.36t，加上加蓋裝置自重）。

2.2.2 鋼包、鋼水重力載荷。鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在高位放包時(shí)有三種載荷工況（以下分析中所述的高位滿包載荷均乘1.8的沖擊載荷系數(shù)）：

工況I：高位滿包、低位為空：

滿包載荷：280000×9.81×1.8=4.944E+6N

工況Ⅱ：高位滿包、低位空包：

滿包載荷：4.944E+6N

空包載荷：100000×9.81=9.81E+5N

工況III：雙邊滿包：

高位滿包載荷：4.944E+6N

低位滿包載荷：280000×9.81=2.75E+6N

鋼包（含鋼水）的重力載荷作用在鞍形座上，在本分析中將一對(duì)鞍形座上表面的若干節(jié)點(diǎn)用剛性單元集中連接于鞍形座對(duì)稱中心點(diǎn)，然后在此中心節(jié)點(diǎn)上按不同的工況施加鋼包和鋼水的重力載荷，如圖4所示：

3 靜強(qiáng)度分析

基于上述邊界條件，采用ANSYS非線性接觸結(jié)構(gòu)靜力分析方法，得出了鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)整體系統(tǒng)的應(yīng)力和彈性變形位移結(jié)果。圖5至圖7是鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)整體系統(tǒng)在不同工況下的應(yīng)力分布云圖。

由于整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高，所以此最大應(yīng)力的部位所對(duì)應(yīng)的材料可能也不具備足夠的強(qiáng)度，又由于零部件含不同的材料或采用不同厚度的鋼板焊接，故有必要考察主要零部件的應(yīng)力水平及局部分布。表3歸納了底座、回轉(zhuǎn)支座、升降臂、鞍形座、連桿、銷軸、襯套、上框架上的最大應(yīng)力及其發(fā)生部位的分析結(jié)果。表中括號(hào)里的尺寸為最大應(yīng)力單元所屬的零件板厚或銷軸直徑。對(duì)于回轉(zhuǎn)支承的受力情況另作討論。

從表3可以歸納得出基本結(jié)論：

（1）底座在單邊滿包、一邊為空時(shí)偏載最大，應(yīng)力最大，隨著偏載的減小應(yīng)力隨之減小，應(yīng)力水平中等，安全系數(shù)為1.4～2.3。

（2）鞍形座、連桿、銷軸、襯套的最大應(yīng)力和所在部位基本無(wú)變化或變化很小，應(yīng)力水平中等，安全系數(shù)為2.1～5.5。

（3）上框架的最大應(yīng)力隨著兩邊載荷的增加而增大，應(yīng)力水平中等，安全系數(shù)為1.6～1.7。

（4）回轉(zhuǎn)支座上應(yīng)力分布很不均勻，最大應(yīng)力隨著偏載的減小而減小，但最大應(yīng)力超過(guò)或接近所在筋板的屈服極限（325MPa），需要改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使應(yīng)力分布均勻，特別是圓筒外筋板的布置需要改進(jìn)。

（5）升降臂的應(yīng)力水平較高，最大應(yīng)力隨著偏載的減小而增大，這是因?yàn)閮蛇叺纳当塾梢簤焊着c上框架連接，兩側(cè)載荷的增加對(duì)升降臂有影響，安全系數(shù)為1.27～1.4。

（6）從應(yīng)力分析的結(jié)果可以看出，高位滿包、低位為空時(shí)為最惡劣工況。

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 改進(jìn)方案

根據(jù)前面的分析結(jié)果，對(duì)本鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，其中升降臂的臂長(zhǎng)縮短了300mm，局部進(jìn)行圓角處理，回轉(zhuǎn)支座上部框架的高度增加200mm，相應(yīng)縮短了圓筒體的高度200mm，圓筒外筋板的數(shù)量由12塊增加為20塊，分布更均勻。其他零部件未作修改。

4.2 改進(jìn)后鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的靜強(qiáng)度分析

改進(jìn)后的整體和部分零部件（升降臂、回轉(zhuǎn)支座）的分析結(jié)果，如圖8至圖10所示。

表4為改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)支座和升降臂的應(yīng)力及分布。

從重新計(jì)算的結(jié)果可以看出，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)全域最大應(yīng)力水平有了大幅度降低，特別是回轉(zhuǎn)支座圓筒外筋板上的應(yīng)力下降了100多MPa，只在高位滿包、低位為空時(shí)全域最大應(yīng)力出現(xiàn)在筋板上，其值低于它的材料屈服極限（Q345-A，30mm，σS/σmax=325/234=1.39），滿足強(qiáng)度要求；而升降臂的應(yīng)力水平也有顯著降低，最大應(yīng)力值均低于材料的屈服極限（Q345-A，40mm，

σS/σmax=295/199=1.48），滿足強(qiáng)度要求。因此，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)使得回轉(zhuǎn)支座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，全域的應(yīng)力分布更合理。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)230t鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在280t超負(fù)載情況下的靜強(qiáng)度分析，找到了結(jié)構(gòu)在超負(fù)荷情況下的薄弱部位，并對(duì)其進(jìn)行合理的改進(jìn)、優(yōu)化，通過(guò)有限元分析，驗(yàn)證了改進(jìn)、優(yōu)化后的鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的承載能力已經(jīng)達(dá)到了280t負(fù)荷的要求。

（責(zé)任編輯：吳 濤）