干熄焦提升卷筒開裂分析與結構優(yōu)化設計

劉權(寶鋼上海梅山鋼鐵股份有限公司設備部，南京210039)

干熄焦提升卷筒開裂分析與結構優(yōu)化設計

劉權
(寶鋼上海梅山鋼鐵股份有限公司設備部，南京210039)

針對梅鋼干熄焦提升卷筒使用過程中出現開裂的現象、卷筒結構和開裂特征，建立了卷筒提升過程的有限元分析模型，對卷筒結構進行應力和變形計算，提出了卷筒結構的優(yōu)化設計方案，并對結構優(yōu)化后的卷筒重新建立有限元模型進行計算與分析。對比前后兩種結構的應力、形變、短應力線的變化，發(fā)現結構優(yōu)化后的卷筒形變明顯變小、短應力線有效增長。優(yōu)化設計的熄焦卷筒的現場使用表明，該優(yōu)化設計研究為避免開裂事故和變形失效的發(fā)生，提供了有益的技術支撐。

提升卷筒;開裂;補強;有限元

0　前言

鋼鐵企業(yè)的煉焦工序通常采用傳統濕法熄焦技術，能耗大，污染重，而且紅焦攜帶的大量熱能無法利用，2007年梅山鋼鐵股份有限公司開始應用干熄焦技術來替代濕熄焦技術進行生產。提升機是干熄焦生產的關鍵設備之一，主要用于將運送至提升井架下裝滿紅焦的焦罐提升到干熄爐頂，并沿軌道橫移至干熄爐裝入料斗的上方;然后下降并與裝入裝置相配合，將紅焦裝入干熄爐內。裝焦完畢后，再將空焦罐送回到焦罐臺車上。

一套提升裝置主要由兩臺電機、一臺減速機、兩只卷筒、鋼絲繩和焦罐組成。主電機通過帶制動輪的聯軸節(jié)，提升減速機帶動升降卷筒運轉，鋼絲繩纏繞，升降吊具打開或關閉，使焦罐上升或下降。鋼絲繩共有4根，每個卷筒上繞有兩根鋼絲繩。鋼絲繩的一端由3個鋼絲繩緊固件固定在卷筒端部，將鋼絲繩穿過吊鉤滑輪。鋼絲繩的另一端被固定在提升框架的平衡臂上。提升卷筒通過聯軸器與減速機高速軸連接，傳遞電機傳來的扭矩。提升卷筒采用短軸卷筒，卷筒由筒體、襯板、軸及軸承支架等構成。

1　提升卷筒的開裂特征

干熄焦卷筒外形尺寸為φ1 730 mm×2 060mm，距兩端法蘭595 mm處設計了支承板。卷筒的粗軸端為主動端，細軸端為起重端。原設計制造的卷筒在使用一年后，被發(fā)現在卷筒支撐板處出現了裂紋，并導致卷筒工作失效。

目測裂紋位置出現在細軸端，與內部支撐板對應的部位，形成了整圈開裂，裂紋最大寬度可達6～8 mm。停機移去鋼絲繩后的仔細檢測發(fā)現粗軸端支撐板對應部位也出現了環(huán)形裂紋。針對卷筒的開裂情況，選擇在細軸端粗裂紋處，分別截取三塊試樣進行試驗分析。試驗分析發(fā)現:裂紋已穿透板厚，開裂起源于角焊縫根部，斜向垂直于襯板，由內向外發(fā)展。

卷筒鋼板與支撐板采用了單坡口角焊縫焊接連接，焊接接頭融合良好。低倍顯微觀察上可辨別出裂紋起始于角焊縫根部，開裂點與焊角根部位置相關聯，但與鋼板內表面定位槽和鋼板外表面繩槽位置無關。

圖1　原設計卷筒結構及使用開裂狀況Fig.1 Original structure and cracking of lifting drum

2　提升卷筒三維有限元模型

采用Pro/Engineer軟件對干熄焦提升卷筒進行結構建模和裝配，如圖2所示。結構模型為全尺寸模型，卷筒內部結構全部保留，僅對遠離開裂處的鋼絲繩緊固裝置進行簡化處理。

圖2　提升卷筒三維結構模型Fig.2 Three-dimensional structuralmodel of lifting drum

在ANSYS有限元分析中，將三維實體模型導入ANSYS軟件后，需要對導入的實體模型進行網格劃分。選用三維結構實體單元SOLID 185，分部件采用手動網格劃分，以達到網格劃分的疏密有致、層次分明的目標，劃分后模型如圖3所示。

起重端與軸承座、鋼絲繩與繩槽的接觸單元選用3-D、8節(jié)點接觸單元，能夠退化為6結點的三角形單元模擬復雜邊界。采用廣義拉格朗日法和庫侖摩擦模型計算摩擦接觸。主動端面采用固定全約束，軸承座底采用固定全約束。在鋼絲繩伸出端施加載荷，施加載荷為分配的提升載荷乘以動載系數。根據實際使用運行情況，動載系數取為1.5。根據焦罐運裝的焦炭重量，算得單根鋼絲繩承受拉力30 t。

卷筒材料為Q345B，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.26。鋼絲繩的彈性模量為198 GPa，泊松比為0.25。

圖3　模型網格劃分Fig.3 Meshmodel

3　計算與分析

3.1原設計結構

為分析卷筒使用過程中出現開裂的原因，加上鋼絲繩是柔性結構，需要采用三維非線性有限元方法，對卷筒進行變形和應力分析。計算結果如圖4所示，其中，圖4a用于顯示卷筒1/4剖開體應力分析，尤其軸應力水平;圖4b用于顯示卷筒支撐筋板和附近筒壁的應力場;圖4c用于顯示卷筒變形狀態(tài)。

計算結果表明，卷筒在卷揚過程的扭轉變形可達到25.8 mm，軸線彎曲變形為0.30 mm。圓立筋板頂4根線槽應力最高，可達到220 MPa，圓立筋板與卷筒聯接臺階側可產生248 MPa的高應力，而在無臺階側應力降至170 MPa。圓立筋板頂線槽處于拉應力狀態(tài)，最大軸向拉應力為212 MPa。圓立筋板兩側為壓應力帶。

圓立筋板的設置，導致卷筒剛度突變，引起頂部線槽高應力帶，以及內部臺階側高應力帶。圓立筋板頂部線槽高應力帶和內部臺階側高應力帶靠得過近，使其附件結構應力狀態(tài)惡劣，形成短應力線。

圖4　原設計結構應力分布圖Fig.4 Stress distribution of original drum

3.2優(yōu)化結構

根據對原設計結果的計算分析，對新滾筒結構進行了如下優(yōu)化:

(1)筒身兩側襯板處增加200mm寬的加強板，加強板焊接在筒身內側，襯板焊接在加強板上;

(2)襯板外圓處剖口尺寸修改，調整焊接工藝，防止剖口尖部位置焊接過程中出現焊接缺陷;

(3)消除筒壁3 mm臺階，用三小塊鐵塊點焊定位，防止出現直角應力集中。

優(yōu)化設計后的結構如圖5所示。卷筒內徑統一為φ1 530 mm，立筋板內側壁厚增加2 mm，外側壁厚增加5 mm，立筋板頂增加厚20 mm、寬150 mm的環(huán)形箍，環(huán)形箍與卷筒可實現雙面焊接。

圖5　結構優(yōu)化后卷筒圖Fig.5 Optimized lifting drum structure

對圖5所示優(yōu)化后的結構進行有限元分析，得到如圖6所示結果。卷筒卷揚過程的扭轉變形由25.8 mm降至14.59 mm，軸線彎曲變形由0.30 mm降至0.10 mm，降幅明顯。短應力線延長近50%，應力狀態(tài)有改善。圓立筋板與卷筒聯接臺階側應力由248 MPa降至208 MPa，降幅達16%。圓立筋板頂線槽處于拉應力狀態(tài)，最大軸向拉應力由212 MPa略升至217 MPa。圓立筋板設置導致卷筒剛度突變依然存在，圓立筋板的設置導致線槽出現拉應力狀態(tài)依然存在。

圖6　結構優(yōu)化后卷筒應力圖Fig.6 Stress distribution of optimized drum

4　結論

通過對原設計和優(yōu)化設計的兩種不同內部結構的干熄焦提升卷筒進行數值模擬分析，得出以下研究結果:

(1)干熄焦提升卷筒繩槽處于拉應力狀態(tài)，并不是想像的接觸壓應力狀態(tài);

(2)干熄焦提升卷筒由于支撐筋板的支撐作用，存在較大的局部變形;

(3)繩槽的拉應力狀態(tài)和支撐筋板與筒壁交界的復雜應力狀態(tài)易形成短應力線，容易造成繩槽的開裂失效;

(4)經過對干熄焦卷筒內部襯板處的局部加強和相應的結構優(yōu)化，可有效降低最大形變量，有效延長短應力線。

［1］蔣志成，陳夫保．提升機卷筒的內部應力及結構［J］．煤礦現代化，2004(1):33－34．

［2］牛丙喜．天鐵干熄焦提升機自動控制系統事故原因分析與改進［J］．天津冶金，2013，(6):34－36．

［3］付本慶．提升機卷筒開裂的止裂處理技術［J］．煤礦機械，2009(6):183－184．

［4］朱心亮，韓士揮，李振川，等．新莊煤礦主井提升機卷筒開裂的原因及處理方法［J］．中國西部科技，2006(22):4－5．

［5］沈繼軍，馮兆福．大型提升機卷筒開裂處理技術的研究與應用［J］．煤礦機械，1989(2):16．

［6］冷如建，崔學軍．斜井提升機卷筒開裂的修復與預防［J］．冶金礦山與冶金設備，1998(5):20－21．

［7］胡滿生，張郁琦．WK-4型挖掘機提升卷筒軸及瓦蓋螺栓斷裂事故分析及預防［J］．礦山機械，2012 (10):135－136．

［8］張小良．13 m3挖掘機提升卷筒密封的漏油原理及防漏探討［J］．礦山機械，2002，(9):34－36．

［9］魏勝國．提升卷筒排繩故障的分析與現場處理［J］．礦山機械，2000(1):83－84．

［10］李瑞斌，韓鵬．基于Adams的礦用挖掘機提升卷筒軸向受力分析［J］．計算機輔助工程，2013(1): 279－282．

［11］劉鵬，陸書恒．電鏟提升卷筒的工藝改進［J］．一重技術，2012(6):38－40．

［12］趙海珍，師明．WK-55挖掘機提升卷筒的加工制造［J］．機械管理開發(fā)，2012，(5):118－119．

［13］李艷龍．大型礦用電鏟提升卷筒繩槽的數控工藝改進［J］．裝備制造技術，2010(12):145－146．

［14］王安堯，楊福柱，王衛(wèi)東，等．WK-10B挖掘機提升卷筒密封改造［J］．露天采礦技術，2007(5): 55－59．

［15］李曉豁，張凱．基于虛擬樣機的鏟斗式裝載機卷筒動力學研究［J］．遼寧工程技術大學學報:自然科學版，2008(1):104－106．

Cracking analysis and structural optim ization of lifting drum in dry quenching

LIU Quan
(Equipment Department of Meishan Iron＆Steel Co．，Baosteel，Nanjing 210039，China)

A finite elementmodelwas presented to investigate cracking phenomenon of the lifting drum in dry quenching in Meigang，according to characteristics of the drum structure and cracking．Stress and deformation of the lifting drum were simulated．An optimization design of the lifting drum wasmade．Then，once again，a new finite element model was built，and stress and deformation were simulated as well．Through comparing stresses，strain and short stress line before and after optimization，there wasmore small deformation and short stress line lengthens obviously to new lifting drum．Using of optimized lifting drum provided a reasonable technical support for avoid cracking and deformation failure．

lifting drum;cracking;reinforce;finite elementmethod

TD534

A

1001－196X(2015)02－0065－04

2014－07－10;

2014－08－12

劉權(1970－)，男，寶鋼上海梅山鋼鐵股份有限公司工程師。