基于ANSYS的連鑄輥軸承座的溫度場(chǎng)分析

戴維 (華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

基于ANSYS的連鑄輥軸承座的溫度場(chǎng)分析

戴維 (華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

連鑄輥軸承在環(huán)境溫度高、載荷大、工況復(fù)雜的條件下工作,如果軸承所接受的熱量不能有效地散發(fā),冷卻未到位,過(guò)高的溫度會(huì)引起軸承熱變形,并會(huì)在大載荷下破裂,致使軸承過(guò)早失效,影響整個(gè)連鑄鑄鋼的生產(chǎn)。連鑄輥軸承座冷卻方式是軸承座內(nèi)部結(jié)構(gòu)留有通水孔,對(duì)軸承座進(jìn)行內(nèi)部通水冷卻。基于ANSYS對(duì)連鑄輥軸承座的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析:建立軸承座的CAD三維幾何模型和CAE模型,通過(guò)分析傳熱原理,得到軸承座的綜合對(duì)流換熱系數(shù),以此作為邊界條件,并加載實(shí)時(shí)工況下的溫度作為載荷,對(duì)連鑄輥軸承座系統(tǒng)在穩(wěn)定工作的狀態(tài)進(jìn)行了溫度分析,得到軸承座的整體溫度分布,對(duì)連鑄輥軸承座的設(shè)計(jì)安裝提供了理論指導(dǎo)意義。

連鑄輥;軸承座;溫度場(chǎng);ANSYS;CAD三維幾何模型;CAE模型

連鑄輥軸承是連鑄機(jī)中的重要部件,為連鑄輥提供重要支承。連鑄機(jī)連鑄輥軸承工作環(huán)境復(fù)雜,從連鑄機(jī)結(jié)晶器出來(lái)的鋼坯要在二冷區(qū)對(duì)其噴水強(qiáng)制冷卻(一般將連鑄機(jī)直線段、彎曲段以及扇形段稱之為二冷區(qū)),使鋼坯表殼迅速冷卻以防止漏鋼。盡管如此,從結(jié)晶器出來(lái)的鋼坯到達(dá)連鑄機(jī)矯直段時(shí)的溫度仍然在900℃以上,鋼坯直接與連鑄輥接觸,連鑄輥兩端的軸承座最高點(diǎn)與鋼坯之間的距離非常近,如果軸承所接受的熱量不能有效地散發(fā),冷卻未到位,過(guò)高的溫度會(huì)引起軸承熱變形,并會(huì)在大載荷下破裂,致使軸承過(guò)早失效,影響整個(gè)連鑄鑄鋼的生產(chǎn)。因此,必須對(duì)連鑄輥軸承座內(nèi)部進(jìn)行冷卻,以保證軸承在規(guī)定溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

1 連鑄輥軸承的CAD與CAE模型

1.1 連鑄輥軸承的CAD三維幾何模型

根據(jù)某煉鋼廠提供的軸承的型號(hào)及圖紙,使用目前主流的三維CAD設(shè)計(jì)軟件建立連鑄輥軸承的三維CAD整體裝配模型,如圖1所示。

對(duì)于連鑄輥軸承的裝配模型,在不影響連鑄輥軸承熱應(yīng)力、溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)分析的前提下,對(duì)端蓋上的螺栓孔做了簡(jiǎn)化處理。

1.2 連鑄輥CAE模型

圖1 連鑄輥軸承的三維CAD裝配模型

圖2 連鑄輥軸承裝配的三維網(wǎng)格模型

1)連鑄輥軸承網(wǎng)格模型的建立 嚴(yán)格按照三維CAD幾何模型尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用CAE前處理仿真軟件來(lái)建立CAE分析的網(wǎng)格模型。

在熱分析求解中,使用ANSYS對(duì)其計(jì)算分析。根據(jù)ANSYS單元類型要求,同時(shí)考慮到整個(gè)軸承裝配體模型均為三維實(shí)體模型,筆者選擇常用的SOLID70單元。對(duì)連鑄輥軸承裝配模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,如圖2所示。裝配模型的網(wǎng)格劃分是劃分網(wǎng)格最為困難的工作,由于其內(nèi)部通有冷卻水管道,不得不對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行區(qū)分畫(huà)網(wǎng)格,在形狀極其不規(guī)則的地方使用了四面體網(wǎng)格與五面體網(wǎng)格,網(wǎng)格質(zhì)量不如六面體網(wǎng)格質(zhì)量高,但四面體網(wǎng)格與五面體網(wǎng)格數(shù)量較少,對(duì)整個(gè)模型的溫度場(chǎng)影響較小。

2)材料的機(jī)械性能 連鑄輥軸承裝配體中各主要零部件所采用材料的機(jī)械性能如表1[1]所示。

3)材料的物性參數(shù) 連鑄輥裝配是由軸承座、軸承蓋、軸承環(huán)和連鑄輥組成。建立模型過(guò)程中采用材料的物性參數(shù)見(jiàn)表2[2-4],軸承座使用的材料則是Q345-D。

表1 主要零部件材料機(jī)械性能

表2 材料物性參數(shù)表材料

2 連鑄輥軸承熱分析的數(shù)學(xué)模型描述及邊界條件確定

熱仿真分析用于計(jì)算某個(gè)系統(tǒng)或零部件的溫度分布情況,從而得到相應(yīng)的熱物理參數(shù)(如系統(tǒng)得到或者損失的熱量值、熱梯度、熱通量等)。由于是用溫度作為基本參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,因此熱分析也被稱為溫度場(chǎng)計(jì)算。

連鑄輥軸承的傳熱過(guò)程可近似地看作是穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程,滿足如下導(dǎo)熱方程[5]:

式中,x,y,z為系統(tǒng)的坐標(biāo);k2為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù),W/(m·K);ρ為材料的密度,kg/m3;Cp材料比熱,J/(kg·℃);T為所求溫度函數(shù),℃;t為時(shí)間,s。

在整個(gè)傳熱系統(tǒng)中,還包括高溫鋼坯對(duì)連鑄輥的熱傳導(dǎo)與熱輻射,高溫鋼坯對(duì)軸承座的熱輻射。考慮到輻射換熱的平面很多,并且為高度非線性的,計(jì)算時(shí)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間,筆者對(duì)輻射做了簡(jiǎn)化,用對(duì)流換熱的形式來(lái)代替輻射換熱形式,也就是選取一個(gè)等價(jià)的對(duì)流換熱系數(shù)代替所承受輻射換熱。

在一般情況下,自然對(duì)流系數(shù)為5～10W/(m2·K),計(jì)算式[6]為:

式中,h為連鑄輥軸承與周圍空氣對(duì)流換熱系數(shù);Ts為連鑄輥軸承溫度,℃;Ta為連鑄輥軸承周圍空氣溫度,℃;

按傳熱學(xué)理論[7],連鑄輥軸承、軸承座以及連鑄輥與空氣的對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按式(3)計(jì)算:

式中,hc為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(熱交換系數(shù)),W/(m2·K);Nu為努塞爾(Nusselt)數(shù);λ為導(dǎo)熱系數(shù), W/(m·K);L為特征長(zhǎng)度,m。

筆者將鋼坯與周圍輻射換熱轉(zhuǎn)化為對(duì)流換熱,它們的等價(jià)對(duì)流換熱系數(shù)表達(dá)式[8]為:

式中,hr為連鑄輥與周圍空氣輻射等價(jià)換流系數(shù),W/(m2·K);B為Boltzman常數(shù),5.67e×10-8W/(m2·K4);ε為黑度,鋼坯向周圍環(huán)境輻射的系數(shù)ε取0.8。

因此,復(fù)合對(duì)流換熱系數(shù)為:

取連鑄輥周圍空氣溫度為300℃,其與周圍空氣的對(duì)流系數(shù)取15W/(m2·K)。通過(guò)公式(4)可以算出折算之后的對(duì)流系數(shù)18.4W/(m2·K),因此連鑄輥與環(huán)境的復(fù)合對(duì)流系數(shù)為33.4W/(m2·K)。

3 連鑄輥軸承座熱仿真分析

由于溫度場(chǎng)的熱源是從結(jié)晶器出來(lái)的高溫鋼坯,連鑄輥軸承所處的工作環(huán)境復(fù)雜,整個(gè)軸承處在軸承座內(nèi)。根據(jù)軸承座的溫度、軋輥溫度、軸承座環(huán)境溫度、以及軸承座冷卻水溫度來(lái)推算軸承溫度。并且通過(guò)ANSYS軟件來(lái)仿真。

熱分析計(jì)算出的連鑄輥軸承裝配體的溫度場(chǎng)分布如圖3所示。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出,整個(gè)裝配體的溫度是從連鑄輥到軸承座依次降低,呈分層分布;溫度場(chǎng)基本上成對(duì)稱分布。

圖4為連鑄輥軸承座的溫度場(chǎng)分析結(jié)果,由于軸承座內(nèi)通冷卻水使軸承座腔內(nèi)的溫度保持在軸承正常工作的溫度范圍內(nèi),因此整個(gè)軸承座內(nèi)溫度不是很高[9]。溫度最高處是靠近連鑄輥端的部位,這是由于此部位靠近連鑄輥,而連鑄輥是高溫的,該部位接受來(lái)自鋼坯以及連鑄輥的熱輻射,使自身溫度升高。

提取計(jì)算結(jié)果并與點(diǎn)溫槍和溫度傳感器實(shí)測(cè)溫度(由鋼廠提供)比較可知,軸承座以及連鑄輥外表面仿真溫度與實(shí)測(cè)溫度基本相同,二者最大誤差不超過(guò)9%,表明有限元仿真分析整個(gè)連鑄輥軸承溫度場(chǎng)的結(jié)果是正確有效的(見(jiàn)表3)。

圖3 連鑄輥軸承裝配體溫度場(chǎng)

圖4 連鑄輥軸承座溫度場(chǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

_表3 連鑄輥軸承座主要部位仿真溫度與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比部件

采用有限元分析軟件對(duì)軸承座穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析。通過(guò)分析結(jié)果可以看出,軸承座在有冷卻水的條件下軸承內(nèi)圈溫度最高,外圈溫度最低,溫度由內(nèi)圈至外圈傳遞,但在X軸方向(即連鑄輥至端蓋方向)上溫度梯度很大,會(huì)產(chǎn)生很高的熱膨脹應(yīng)力。在極限條件下,軸承座的溫度過(guò)高達(dá)到103℃,高出了高溫潤(rùn)滑脂的正常工作溫度,這會(huì)使?jié)櫥到y(tǒng)失效,從而導(dǎo)致軸承的失效。這對(duì)連鑄輥軸承座的設(shè)計(jì)安裝提供了理論指導(dǎo)意義。

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[編輯]洪云飛

TH123.1

A

1673-1409(2014)19-0059-03

2014-02-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71271160)。

戴維(1993-),男,現(xiàn)主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)習(xí)。