420t冶金起重機主吊鉤平衡梁熱應力分析

賈曉義 陳德亮

(上海梅山鋼鐵股份有限公司 江蘇南京210039)

420t冶金起重機主吊鉤平衡梁熱應力分析

賈曉義①陳德亮

(上海梅山鋼鐵股份有限公司 江蘇南京210039)

針對420t冶金起重機主吊鉤平衡梁，采用三維非線性有限元方法并輔以實測溫度場數據，分析得到了其在吊運鋼水過程的高溫輻射下各部位的溫度場和熱應力場的精確分布。研究結果可用于指導該冶金起重設備的運行、安全性評估，并為冶金起重設備的設計、優化提供相應的理論依據。

冶金起重機 平衡梁 溫度場 熱應力 有限元

1 背景介紹

冶金起重機屬于重型關鍵設備，在冶金行業主要承擔工藝生產過程空中物料的運輸，工作環境惡劣、受載情況復雜。吊運盛裝高溫物料的鋼水包或鐵水包時，直接采用起重機吊鉤吊運相當危險，容易造成鋼水的晃動。需要采用吊鉤平衡梁輔助吊運，確保吊運過程鋼水包的平衡，保證吊運操作的安全。

由于鋼水包體積大，總重可達到250t，決定了吊鉤平衡梁的體積和重量較大。由于直接面對高溫液態鋼水的輻射，表面將產生較高的輻射溫度。輻射高溫及熱量在內部的熱傳導會形成不均勻的溫度場載荷，并產生熱應力，影響整個吊鉤平衡梁工作狀態下的空間應力的分布。

現行起重設備在設計時，并不考慮溫度載荷[1]。某煉鋼廠420t冶金起重機，吊運時主吊鉤平衡梁表面局部熱輻射溫度接近200℃，產生的熱應力空間分布復雜，設計時并未考慮溫度載荷影響。有必要對其熱應力進行分析，依據數值計算結果指導該設備的運行。受限于結構形狀和變溫條件、板鉤梁溫度場和熱應力場分布的復雜性，依靠傳統的解析方法和現場測量很難實現，數值方法是解決這一問題的有力工具，并已得到廣泛的應用[2-4]。采用三維非線性有限元方法，考慮多界面接觸，建立主吊鉤平衡梁的數值計算模型，計算在惡劣工況下，主吊鉤平衡梁的溫度場和熱應力空間分布。

2 結構模型

主吊鉤平衡梁的結構相對復雜，包括板鉤、吊叉、平衡裝置和滑輪(滑輪軸、滑輪組、滑輪蓋、吊索)等多個關鍵部件。起吊工作時，板鉤吊起鋼水包，約束和載荷通過板鉤→板鉤軸→吊叉→吊叉軸→板鉤梁→滑輪軸→滑輪組→吊索進行傳遞和控制。為了精確計算主吊鉤平衡梁的溫度場和熱應力場，充分考慮板主吊鉤平衡梁及其附件之間的約束關系，嚴格按照真實結構建立三維實體模型(圖1)。

圖1 三維實體模型

3 熱應力分析方法

3.1 基本理論

主吊鉤平衡梁在整個熱物理過程中，涉及輻射吸熱、熱傳導、熱對流等物理過程，變溫條件復雜，溫度場難以計算。為了保證溫度場計算的準確性，需要輔以部分現場實測數據。基于真實吊運工況，對計算過程進行如下處理：①板鉤梁表面局部可觀測位置，采用現場測量獲得溫度場數值，作為強制溫度邊界；②與外界空氣之間的對流、輻射，采用綜合換熱系數考慮熱量耗散[2,5]；③考慮主吊鉤平衡梁的熱傳導效應。

在笛卡爾坐標系下，主吊鉤平衡梁的熱傳導過程可以用以下無源導熱方程定義[6]：

(1)

式中ρ—板鉤梁材料密度(kg/m3)；T—溫度；t—時間；kx，ky，kz—材料沿x，y，z三個方向的熱傳導系數[W/(m·K)]；c—材料比熱容[J/(kg·K)]。

熱邊界條件為第一類和第三類邊界[6]：

T=T1(x,y,z,t),

on S1(2)

onS2(3)

式中S1，S2—第一類和第二類邊界； nx，ny和nz—板鉤梁邊界外法線方向余弦； T1—板鉤梁表面局部可觀測區域內溫度； Ta—板鉤梁外部環境的溫度； h—考慮空氣對流和熱輻射的綜合對流換熱系數[W/(m2·k)]。

在約束情況下，溫度發生變化或者各部分溫度變化的不均勻，會在結構內部產生熱應力。依據熱彈性變形理論，以主吊鉤平衡梁整體穩態溫度場分布結果作為載荷，可以計算出在特定約束條件下的位移變形。利用幾何方程(位移應變關系)和物理方程(應力應變關系)，建立熱應變和熱應力之間的聯系如下：

(4)

式中 σx0，σy0，σz0和T0—結構初始三個方向的應力和溫度；

λx，λy和λz—板鉤梁材料沿三個方向的熱膨脹系數；

E—板鉤梁材料彈性模量。

由于材料的各向同性特征，λx=λy=λz。

3.2 有限元模型

選擇高階六面體單元，手動方式進行三維實體模型網格劃分，保證網格均勻性、疏密有序，高精度的刻畫溫度場和熱應力場的空間分布(圖2)。

圖2 有限元模型

依據結構真實受載傳力過程，保留板鉤軸(板鉤—板鉤軸—吊叉)、吊叉軸(吊叉—吊叉軸—橫梁)、滑輪軸(橫梁—滑輪軸—吊索)三類軸上的接觸約束關系，在有限元模型中采用非線性接觸單元模擬各柔性面之間的接觸傳力和熱傳導。

4 熱應力計算結果分析

主吊鉤平衡梁主體結構由鋼板焊接，材料選為Q345B鋼，彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.26，熱導率k=51W/(m·K)，比熱容c=0.49kJ/(kg·K)，線膨脹系數λ=11.5×10-6/K。

4.1 溫度場計算結果

圖3是主吊鉤平衡梁穩態溫度場分布云圖。溫度場沿著梁體中心軸線對稱分布，最高溫度位于下翼板，是鋼水包直接輻射所致。部件溫度場由高到低的分布形式為：下翼板→側板→上翼板→滑輪罩。

圖3 溫度場分布云圖

由于在橫梁下翼板中心位置設置了隔熱板，圖3的溫度場計算結果表明，隔熱板的隔熱效果良好，橫梁下翼板的溫度分布受隔熱板的影響大。鋼水高溫輻射透過隔熱板與吊叉之間的縫隙，在下翼板上形成了圓形高溫區，最高溫度超過150℃。整個下翼板溫度場分布復雜，存在多個溫度高梯度區。如圓形高溫區在縱向的最大溫度梯度為148℃/m(沿x軸方向)，在橫向的最大溫度梯度可達到193℃/m。

4.2 熱應力計算結果分析

圖4為溫度載荷作用下主吊鉤平衡梁的變形形狀和熱應力分布。主吊鉤平衡梁在鋼水熱輻射下，變形呈現向下撓曲的對稱彎曲變形。主吊鉤平衡梁上熱應力分布比較復雜。大部分梁體上von Mises等效應力值接近20MPa，部分區域的最大應力值達到了85MPa。其中，下翼板和吊叉耳板的熱應力分布相對較高，這與下翼板存在較高溫度梯度的情況相一致。

圖4 熱應力場分布云圖

在下翼板表面，沿著下翼板縱向軸線取A-B軌跡，沿著橫向穿過高溫度梯度區域取C-D軌跡,圖5和圖6顯示溫度場和熱應力場沿著選定軌跡的變化曲線，對比發現溫度場和熱應力場分布趨勢相當一致，說明高溫度梯度直接導致了下翼板局部高應力產生。最大應力位于圓形高溫區，應力值達到68.5MPa，中間區域因為隔熱作用應力值較低且變化平穩，約為9.7MPa左右。

圖5 A-B軌跡溫度場和熱應力分布

圖6 C-D軌跡溫度場和熱應力分布

吊叉耳板的熱應力的計算結果表明，耳板熱應力呈現兩端部特別高，其他區域應力變化平穩的分布狀態。其中，端部E點應力值56.1MPa，G點應力值達到85MPa，其他區域應力普遍低于35MPa。

圖7 吊叉耳板熱應力分布云圖

圖8 耳板周向溫度場和熱應力分布

圖8是沿著耳板曲邊環向一周的溫度和熱應力變化曲線。對比發現熱應力與溫度分布之間已經沒有相關性，且在高應力點位置溫度變化平緩，這說明耳板上高應力點主要是由應力集中現象造成。這些應力集中位置，屬于強度危險區域，需要引起關注。

5 結論

采用三維非線性有限元方法，考慮冶金起重機板主吊鉤平衡梁及其附件之間的約束關系，嚴格按照真實的結構建立有限元計算模型，分析了主吊鉤平衡梁在吊運工況下承受的溫度載荷和所產生的熱應力的分布。

分析結果表明：

1)由于高溫鋼水包的熱輻射影響，大部分梁體熱應力值在20MPa左右；

2)吊叉耳板由于應力集中原因，最大熱應力幅值分別達到了56MPa和85MPa；

3)若許用應力取為200MPa，最大熱應力幅值已經達到了許用應力的42.5%，說明熱應力對主吊鉤平衡梁的強度分析和疲勞分析不可忽視。

本文的分析計算結果可用于指導該起重設備的使用和安全性評估，并為冶金起重設備的設計、優化提供相應的理論依據。

[1]GB/T 3811—2008, 起重機設計規范[S].

[2]喬沙林, 董寧, 羅會信. 150t轉爐熱—固耦合應力仿真[J]. 鑄造技術, 2012, Vol.33(2): 228-231.

[3]高耀東, 李新利. 轉爐托圈熱應力的有限元分析[J]. 重型機械, 2009(5): 50-52.

[4]張家元, 蘇浩, 張小輝. 燒結機臺車體溫度場及熱應力數值模擬[J]. 機械設計與研究, 2012, Vol.28(3): 66-68.

[5]楊世銘.傳熱學基礎[M].北京:高等教育出版社,1991.

[6]王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學出版社,2003.

·業界動態·

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為解決鐵水預處理渣在處理過程中會產生很多粉塵，污染環境的問題，新日鐵開發了鐵水預處理渣冷卻技術。新日鐵在名古屋制鐵所的渣處理場內建造了10t/h規模的試驗裝置進行實機的渣冷卻試驗。試驗裝置由投料斗、振動加料器、旋轉冷卻器、出渣側的旋風集塵器和空冷鼓風機組成。該試驗裝置的處理過程如下：①在鐵水處理現場用渣盤接渣后，將高溫渣通過鐵路運送至冷卻處理廠；②用吊車吊起渣盤傾斜倒入一次冷卻渣坑；③用重型機將渣坑內的渣扒勻冷卻，清除大塊金屬，并做好將渣裝入料斗的準備；④用重型機將渣裝入料斗，利用料斗上的振動格篩對渣進行篩分，篩下渣落入料斗內，篩上渣倒入地坑內。料斗內的渣通過加料器加入旋轉冷卻器內，以一定速度旋轉冷卻后取出。⑤在旋轉冷卻器內經過大約30分鐘處理后取出的渣可冷卻至100℃以下；⑥冷卻后的渣經輸送帶運到各產品地坑；⑦對各地坑存儲的渣進行取樣，由空氣壓縮輸送管輸送到分析中心進行渣成分的確認，在確認其環境安全性后，將渣輸送到陳化堆場。試驗結果表明，由于將集塵罩與旋風冷卻器連接起來，因此處理渣時產生的粉塵可被充分抽吸收集，由此抑制粉塵向外飛散，保護了環境。新日鐵在試驗裝置取得成功試驗的基礎上，設計建造了50t/h的渣冷卻裝置。

Thermal Stress Analysis of Balance Beam of Main Hook of 420ton Metallurgic Crane

Jia Xiaoyi Chen Deliang

(Shanghai Meishan Iron and Steel Co. Ltd, Nanjing 210039)

For the balance beam of the main hook of the 420 ton metallurgic crane under lifting process of steel ladle, by the use of the three-dimensional nonlinear finite element method and supplementing with measured temperature field data, the accurate distribution of temperature field and thermal stress, the resulted from the thermal radiation of molten steel have been calculated. The results might be useful for guidance the running of metallurgical lifting equipments and safety evaluation, and offer creditable theoretical basis of optimized design of it.

Metallurgic crane Balance beam Temperature field Thermal stress Finite element

賈曉義，男，1979年出生，畢業于安徽工業大學，工程碩士，工程師，主要從事冶金設備維護、檢修、修復、改造工作

TF302 TH122

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.04.009

2015-04-04)