連鑄鉗式拉矯機強度行為研究

王軼平 胡一文

(中國冶金科工股份有限公司科技部 北京 100028)

1 前言

拉矯機是連鑄生產(chǎn)線中最為重要的設備之一，其性能將直接影響到鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)安全。其主要用于在生產(chǎn)時克服拉坯阻力將鑄坯拉出弧形段并進行矯直，在生產(chǎn)準備時將引錠桿送入結(jié)晶器，主要包括：主框架、拉矯輥支架、油缸及拉矯輥等，見圖1。隨著鑄坯斷面尺寸的不斷增加，拉矯機的受力及變形也隨之增加，但目前設計方法仍基于經(jīng)典力學計算，計算結(jié)果精度有限[1]～[4]。這就要求采用更加精確的手段評估設備設計，本文采用有限元方法，分析了拉矯機主要結(jié)構(gòu)件--主框架和拉矯輥支架的受力變形情況。結(jié)果表明，該拉矯機的設計是安全可靠的，為后續(xù)設計中拉矯機的應力變形預測、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有力支撐。

2 有限元模型的建立

(1)材料模型

材料密度：ρ=7800kg/m3

彈性模量：E=2.1×105MPa

泊松比：μ=0.3

(2)網(wǎng)格劃分與實際結(jié)構(gòu)相比主要進行了如下簡化：

忽略結(jié)構(gòu)上各螺釘孔的影響；

1)忽略力傳遞路徑以外的附屬結(jié)構(gòu)的影響。

2)采用六面體等參單元對拉矯機進行網(wǎng)格劃分，拉矯機主框架共劃分23010個單元，拉矯輥支架共劃分13437個單元。模型網(wǎng)格如圖2、3所示。

圖1 拉矯機主要結(jié)構(gòu)圖

圖2 拉矯機主框架有限元網(wǎng)格劃分

(3)載荷及邊界條件

對主框架來說，在主框架與拉矯輥支架連接孔處施加水平拉坯阻力，在壓下油缸與主框架連接孔處及主框架與拉矯輥支架連接孔處施加豎直方向的矯直力，在主框架與下輥軸承座安裝處施加豎直方向的矯直力；在主框架底面的安裝面處約束主框架沿x、y、z方向的平動及繞x、y、z方向的轉(zhuǎn)動。對拉矯輥支架來說，在拉矯輥支架安裝輥子軸承座處施加矯直力及拉坯阻力，在拉矯輥支架與主框架相連接孔施加徑向約束，在拉矯輥支架與油缸連接孔施加徑向約束。如圖2、3所示。

圖3 拉矯輥支架網(wǎng)格

3 拉矯機結(jié)構(gòu)強度分析

(1)主框架結(jié)構(gòu)強度分析主框架在受到拉坯阻力和矯直力共同作用時，其應力及變形如圖4、5所示。

圖4 拉矯機主框架載荷及邊界條件

通過對上述計算結(jié)果的分析，可以得到如下結(jié)論：

1)最大mises應力出現(xiàn)在與拉矯輥支架連接的兩立柱的根部，其應力水平達到108MPa。

2)在拉坯阻力和矯直力的共同作用下，主框架與油缸相連的立柱發(fā)生內(nèi)凹變形；主框架與油缸相連的立柱及主框架與拉矯輥支架相連的立柱發(fā)生彎曲變形。

3)主框架與油缸相連的立柱的內(nèi)凹變形量為0.68mm；主框架最大變形量發(fā)生在主框架與油缸相連的立柱上端，最大值為1.892mm。

(2)拉矯輥支架結(jié)構(gòu)強度分析

拉矯輥支架在受到拉坯阻力和矯直力共同作用時，其應力及變形如圖6、7所示。

圖5 拉矯機拉矯輥支架載荷及邊界條件

圖6 主框架等效應力云圖

圖7 主框架變形示意圖

通過對上述計算結(jié)果的分析，可以得到如下結(jié)論：

1)最大應力出現(xiàn)在拉矯輥支架與輥子軸承座安裝面處，最大應力水平為119MPa，該應力為局部應力，其高應力區(qū)分布范圍很小，主要是由該安裝面受壓而引起。

2)拉矯輥支架的變形主要由矯直力和拉坯阻力引起的彎曲變形，同時由于拉矯輥支架抗彎結(jié)構(gòu)剛度很大，其總變形最大值僅為0.2mm。

4 結(jié)論

通過建立鉗式拉矯機的有限元模型，對該型拉矯機進行了應力、變形計算及分析，通過分析發(fā)現(xiàn)：

1.主框架的最大mises應力出現(xiàn)在與拉矯輥支架連接的兩立柱的根部，其應力水平達到108MPa，拉矯輥支架最大應力出現(xiàn)在拉矯輥支架與輥子軸承座安裝面處，最大應力水平為119MPa，該應力為局部應力，其高應力區(qū)分布范圍很小。

2.在拉坯阻力和矯直力的共同作用下，主框架與油缸相連的立柱發(fā)生內(nèi)凹變形；主框架與油缸相連的立柱及主框架與拉矯輥支架相連的立柱發(fā)生彎曲變形，最大變形量發(fā)生在主框架與油缸相連的立柱上端，最大值為1.892mm；拉矯輥支架的變形主要由矯直力和拉坯阻力引起的彎曲變形，拉矯輥支架抗彎結(jié)構(gòu)剛度很大，其在矯直力及拉坯阻力共同作用下的總變形量最大值僅為0.2mm。

3.該拉矯機主要結(jié)構(gòu)件各部分應力水平及變形量均小于所用材料的許用值，可以認為拉矯機的設計是可靠的。