基于有限元法的鋼包回轉臺底座強度及回轉軸承失效分析

熊瑩，陳德勇(寶鋼工程技術集團有限公司，上海201999)

基于有限元法的鋼包回轉臺底座強度及回轉軸承失效分析

熊瑩，陳德勇
(寶鋼工程技術集團有限公司，上海201999)

回轉臺底座是連鑄鋼包回轉臺設備中重要的結構件，其強度高低直接決定著整臺設備的好壞以及回轉軸承壽命長短;結合項目中所遇到的問題，通過Inventor三維建模，以及有限元ABAQUS分析軟件進行靜強度分析，得出了鋼包回轉臺在不同工況情況下的底座的應力和變形量分布，進而對鋼包回轉臺底座及軸承結構的強度和剛度進行分析，并進行優化;分析軸承破壞的主要原因，為設備的改造方向提供理論依據。

回轉臺底座;回轉軸承;三維建模

0　前言

是連鑄車間的重要鋼包支撐及承運設備，通常布置于連鑄車間的鋼水接受跨和連鑄澆注跨之間。鋼包回轉臺通過固定方向旋轉180°，承接來自煉鋼車間的滿載鋼水的鋼包，并從待包位運送至澆鑄位澆鑄，同時將澆鑄完鋼水的空鋼包從澆注位回送至待包位并等待接收下一包鋼水;鋼包回轉臺所承受的工況載荷復雜、環境惡劣，整個過程中鋼包回轉臺所承受的載荷包括有對稱載荷、非對稱載荷、回轉臺傾翻力矩載荷，同時，在回轉臺受包和旋轉的過程中存在沖擊載荷，故需要求鋼包回轉臺的工作過程絕對可靠。

鋼包回轉臺底座作為回轉平臺的支撐結構，承載著上部旋轉體、鋼包及鋼包中的鋼液，底座結構件的強度和剛度直接決定著整臺設備的安全性及與其所連接的回轉軸承的壽命，而在設計過程中，往往由于鋼包回轉臺底座結構相對簡單，而忽視對其強度的全面分析;鋼包回轉臺在設計的過程中必須對其結構的強度、剛度以及所有的動力特性、沖擊載荷進行全面分析以確保結構的安全可靠。

本文根據某鋼鐵廠2#連鑄機鋼包回轉臺的更換軸承的改造項目，對回轉臺回轉支承軸承的失效原因進行分析，運用軟件Inventor對每個零部件的三維實體建模，并完成結構組裝圖，通過Inventor和ABAQUS的數據接口，將在Inventor中建立的幾何模型導入到ABAQUS中建立有限元分析模型，最后通過ABAQUS軟件對鋼包回轉臺底座及回轉軸承進行了靜應力分析，同時對回轉軸承進行了疲勞分析，獲得了對鋼包回轉臺底座和回轉軸承在不同工況下的工作時的應力、變形量的全面認識。

1　幾何模型建模及有限元分析

鋼包回轉臺在不同工況條件下工作時，其回轉臺底座所承受的工況載荷也不同，為此需對每種工況下的鋼包回轉臺底座進行分析，回轉臺底座由不同厚度的鋼板焊接成，鋼板材料及機械性能見表1。

該鋼包回轉臺在不同的工況條件下，底座所承受的力和力矩情況見表2。動載荷系數k =1.4。

表1　回轉臺底座鋼板材料及機械性能Tab.1 Materials and mechanical properties of ladle turret base plate

表2　鋼包回轉臺底座受力狀況Table 2 Force status of ladle turret base

1.1三維模型建立

根據該鋼包回轉臺底座圖紙，在Inventor中創建三維零件模型，并組裝各個零部件，得到整體結構，底座的每個零部件均通過焊接方式連接;回轉軸承通過M40的高強螺栓聯接，三維實體模型如下圖1所示。

圖1　鋼包回轉臺底座三維模型Fig.1 Three-dimensional of ladle turret base

1.2有限元分析模型建立

通過Inventor與ABAQUS的數據接口，將鋼包回轉臺底座及回轉軸承的三維模型導入到ABAQUS中，由于焊接區域存在較多的焊縫，且焊縫區域鋼結構晶相組織及應力情況發生變化，在此不予考慮，并將鋼結構焊接區域看做是完好聯接區域。

根據實際需要以及事先對結構的關鍵部位的分析，在劃分網格時，對設備進行分析，對應力比較集中部位的采用較稠密的網格，對強度比較高的部位采用較粗的網格，以達到既能減小計算規模又能更加精確計算的結果;本次利用ABAQUS軟分析，反復多次的修改網格，最終整體共劃分出578 622個單元數，1 314 576個節點數(軸承單元數劃分相對密集，底座單元數劃分相對稀疏)。

2　邊界條件確定及模型計算分析

2.1邊界條件確定

在實際生產中，鋼包回轉臺底座是通過底面的法蘭面上的90個地腳螺栓與鋼筋混凝土相連接，在模型分析中，將通過給底面添加固定約束，即約束底面的6個自由度。在模型建立過程中，由于回轉軸承保持架及密封件為輔助元件，對整個模型的分析影響較小，此處在建模分析的過程中將忽略。

2.2模型計算分析

通過ABAQUS軟件分析可得，在工況I下，整個鋼包回轉臺底座結構的最大Mises等效應力及出現的部位及最大變形量區域如圖2所示;在工況II下，最大Mises等效應力及出現的部位及最大變形量出現位置如圖3所示;在工況III下，最大Mises等效應力及出現部位及最大變形量出現位置如圖4所示。

圖2　工況I底座等效應力和變形Fig.2 Condition Iequivalent stress and deformation of base

圖3　工況II底座等效應力和變形Fig.3 Condition IIequivalent stress and deformation of base

圖4　工況III底座等效應力和變形Fig.4 Condition IIIequivalent stress and deformation of base

各部件的最大應力最大變形量及所在部位如表3所示。

鋼包回裝臺底座在工況II(最具有破壞性的工況)下的最大Mises等效應力為314 MPa，出現在底座內部的筋板上部，實際情況中，底座筋板在先進的焊接工藝下，其應力水平將大大低于該數值;回轉軸承在工況II下最大的接觸應力為2 610 MPa，出現在彎矩所在平面下滾柱外側邊緣，根據相關資料［1］得到，當滾柱直徑大于25 mm時，許用接觸應力大于2 999 MPa。從本次分析結果看，最大變形量為6.297 mm，出現在回轉軸承外圈。

表3　最大應力、最大變形量及所在部位Tab.3 Themaximum stress，deformation and their sites of base

3　回轉軸承壽命分析

根據滾動軸承的載荷與壽命關系式可得:

Pζ·N=K(常數)

式中，P為當量動載荷;N為軸承基本額定壽命;ζ為指數，球軸承為3，滾子軸承為

選擇工況II載荷進行理論壽命計算，得出計算出額定壽命N約為3.3×104r，根據該鋼鐵公司2#連鑄機的作業率，一天平均近20轉計算，鋼包回轉臺的使用壽命為4.7年(保守估算)。在實際生產中，鋼包回轉臺軸承由于失效卡死而不得不每隔2～3年更換一次。

4　底座優化結果

根據以上分析結果，對鋼包回裝臺底座進行改進和優化，將底座內側筋板延長至上部法蘭下邊緣，同時，底座外側增加三角筋板，加大相關筋板厚度，并在應力可能集中部位進行倒角和相應處理，避免應力集中。優化后的應力及變形量大小和發生部位云圖如圖5所示。應力2 458 MPa，變形6.538 mm。

圖5　底座等效應力和變形Fig.5 Equivalent stress and deformation of base

5　結束語

通過有限元軟件對鋼包回轉臺底座及回裝軸承進行分析，得出了回轉軸承及底座的應力和變形;提出鋼包回轉臺回轉軸承在承載能力允許的情況下避免加速破壞的主要方法是延長機件磨損準則曲線中的中間段，即延長穩定磨損期;為回轉軸承改造及維護和保養提供了指導。

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Strength analysis of lad le turret base and failure analysis of revolving bearing

XIONG Ying，CHEN De-yong
(BaoSteel Engineering Technology Group，Shanghai201999，China)

Revolving base is a quite important structural part in casting ladle turret equipment，whose strength will directly determine quality of the entire ladle turret device and life of the rotary bearing．According to problems in production，By INVENTOR 3D model and finite element analysis-ABAQUS software，the static strength analysis of the ladle turretbase is done，and the stress and strain distribution in different conditions are obtained．The strength and stiffness of ladle turret base and bearing are analyzed，and the structure is optimized，themain reason of bearing damage is found，it provides the theory basis to reform equipment．

ladle turret base;revolving bearing;3Dmodel

TF341.6

A

1001－196X(2015)02－0075－04

2014－10－20;

2014－12－05

熊瑩(1987－)，男，寶鋼工程技術集團有限公司助理工程師。