180T鋼包回轉(zhuǎn)臺應(yīng)力計(jì)算與分析

李玉慶 張愛剛 楊建立

(1.中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413；2.同方威視技術(shù)股份有限公司 北京 100084；3. 北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司 北京 100043)

1 前言

鋼包回轉(zhuǎn)臺是連鑄設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，它的作用是將鋼包迅速地進(jìn)行越跨轉(zhuǎn)運(yùn)，實(shí)現(xiàn)滿包與空包之間的快速更換，因此要求鋼包回轉(zhuǎn)臺在工作時(shí)要絕對安全可靠[1]。

本文研究的鋼包回轉(zhuǎn)臺原設(shè)計(jì)承載能力為單側(cè)160t，回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)為直臂式結(jié)構(gòu)，鋼包回轉(zhuǎn)臺由底座、回轉(zhuǎn)臂、驅(qū)動(dòng)裝置、回轉(zhuǎn)軸承、事故驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和錨固件等部件組成。支撐鋼包的回轉(zhuǎn)臂為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)為中空的箱型梁，內(nèi)部用隔板進(jìn)行加固。每個(gè)箱型梁的內(nèi)部，都有加強(qiáng)板進(jìn)行加固處理。原回轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)承載能力為單支臂160t，現(xiàn)對鋼包進(jìn)行擴(kuò)容改造，現(xiàn)單側(cè)承重增加到180t，轉(zhuǎn)臺是否能夠滿足改造的要求成為項(xiàng)目的關(guān)鍵。由于鋼包回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互交叉的筋板相對較多，傳統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)算方法難以滿足計(jì)算的要求，因此本文運(yùn)用ANSYS有限元分析的方法對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果可以對轉(zhuǎn)臺改造提供一定的參考[2]。

2 回轉(zhuǎn)臺模型的建立

2.1 轉(zhuǎn)臺受力情況分析

原設(shè)計(jì)鋼包回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原設(shè)計(jì)鋼包回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖

對鋼包回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行分析得到，鋼包回轉(zhuǎn)臺在工作過程中，需要承載鋼包為中間包源源不斷的提供鋼液，回轉(zhuǎn)臺要承受垂直載荷、傾翻力矩和扭矩多載荷的綜合作用，由于鋼包回轉(zhuǎn)臺為對稱布置，因此得到鋼包回轉(zhuǎn)臺在以下兩種極限情況下，最有可能出現(xiàn)最大應(yīng)力，其鋼包回轉(zhuǎn)臺受力分析如表1所示。

表1 鋼包回轉(zhuǎn)臺受力分析表

負(fù)載種類回轉(zhuǎn)臺左側(cè)回轉(zhuǎn)臺右側(cè)1不放置鋼包放置滿包2放置滿包放置滿包

2.2回轉(zhuǎn)臺簡化模型的建立

由于鋼包回轉(zhuǎn)臺模型相對比較復(fù)雜，有很多不規(guī)則的鋼板拼接而成，在ANSYS劃分網(wǎng)格和分析時(shí)容易產(chǎn)生缺陷，同時(shí)在建立模型時(shí)較為困難，因此在建立鋼包回轉(zhuǎn)臺模型時(shí)，可以將其中的一些對應(yīng)力影響不大的筋板部件簡化，簡化后的模型共計(jì)92個(gè)體，采用Solidworks軟件對轉(zhuǎn)臺建立的模型如圖2所示。

在Solidworks中進(jìn)行單位制轉(zhuǎn)化，然后將模型保存合適的格式導(dǎo)入ANSYS軟件中，經(jīng)過對導(dǎo)入模型進(jìn)行分析，無干涉，失真等缺陷的發(fā)生，導(dǎo)入模型符合實(shí)際工況，模型準(zhǔn)確可靠，可以利用該模型進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和校核。

圖2 鋼包回轉(zhuǎn)臺簡化模型

3 轉(zhuǎn)臺模型的應(yīng)力計(jì)算

3.1 轉(zhuǎn)臺受力情況計(jì)算

鋼包在單側(cè)承載180t鋼包時(shí)，鋼包施加外力通過稱重平面對鋼包回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行加載。當(dāng)鋼包下降速度為4.98m/min時(shí)，沖擊系數(shù)為1.2；當(dāng)鋼包以最高速度12.48m/min下方時(shí)，沖擊系數(shù)也為超過1.5。一般對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取1.2～1.5，為了安全起見，該計(jì)算取沖擊系數(shù)為1.7[3]。設(shè)定稱量平面尺寸S。

S=πR2=0.062m2

(1)

鋼包通過兩個(gè)耳軸作用到回轉(zhuǎn)臺上，鋼包的重量可以近似認(rèn)為平均分布到兩個(gè)稱量頭上，單個(gè)稱量平面受到的力F。

F=90000×9.8×1.7=1499400N

(2)

(3)

回轉(zhuǎn)臺在工作過程中，在回轉(zhuǎn)軸承的導(dǎo)向作用下，沿軸心做往復(fù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此在回轉(zhuǎn)臺底部平面采用位移全約束。回轉(zhuǎn)臺承受自身重力外還要承受鋼包的重力，設(shè)定重力加速度為9.8m/s2，對模型進(jìn)行加載計(jì)算。

3.2 轉(zhuǎn)臺模型應(yīng)力計(jì)算

將導(dǎo)入的轉(zhuǎn)臺模型進(jìn)行布爾操作，將鋼板焊接位置等效鋼板自身強(qiáng)度，選擇合適的單元類型進(jìn)行定義，鋼包回轉(zhuǎn)臺在承載鋼包以后，回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的溫度在60℃左右，對于材料的屬性變化不大，則取常溫下材料的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[4]。選擇合適的網(wǎng)格精度對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到634969個(gè)單元。劃分后回轉(zhuǎn)臺的網(wǎng)格如圖3所示。

ANSYS后處理結(jié)果顯示是基于第四強(qiáng)度理論計(jì)算得到的，計(jì)算公式為:

σ1，σ2，σ3為三個(gè)主應(yīng)力，σs為材料的屈服強(qiáng)度。回轉(zhuǎn)臺主體材料為16Mn，其屈服強(qiáng)度約為345Mpa，其剪切強(qiáng)度為210Mpa，抗壓強(qiáng)度為490～620Mpa。當(dāng)回轉(zhuǎn)臺上承載雙滿包的時(shí)，回轉(zhuǎn)臺整體受力如圖4所示。

此時(shí)回轉(zhuǎn)臺最大應(yīng)力為173Mpa，最大應(yīng)力發(fā)生A字型筋板與立筋板連接處。其中最大應(yīng)變?yōu)?.8mm，最大應(yīng)變發(fā)生在回轉(zhuǎn)臺的端部。

雙包位轉(zhuǎn)臺主要承重部件應(yīng)力如圖5所示。

圖3 轉(zhuǎn)臺模型劃分網(wǎng)格

圖4 雙包位轉(zhuǎn)臺受力圖

圖5 雙包位主要承重部件受力圖

回轉(zhuǎn)臺的承載箱體最大應(yīng)力為77.2Mpa，底部鋼板最大應(yīng)力為99.7Mpa，上層面板最大應(yīng)力為101 Mpa，A字型筋板與立筋板連接處最大應(yīng)力為173Mpa。以上關(guān)鍵位置受力情況均小于材料的許用應(yīng)力值，即原設(shè)計(jì)可以滿足改造的需求。

當(dāng)回轉(zhuǎn)臺單側(cè)承載滿包，另一側(cè)不承載鋼包時(shí)，回轉(zhuǎn)臺受力如圖6所示：回轉(zhuǎn)臺最大應(yīng)力為250Mpa，發(fā)生在筋板與回轉(zhuǎn)臺底部連接處。其中最大應(yīng)變?yōu)?0.77mm，發(fā)生在回轉(zhuǎn)臺的端部。單包位轉(zhuǎn)臺主要承重部件應(yīng)力如圖7所示。

圖6 單包位轉(zhuǎn)臺受力圖

回轉(zhuǎn)臺的承載箱體最大應(yīng)力為73Mpa，底部鋼板最大應(yīng)力為250Mpa，上層面板最大應(yīng)力為77.7 Mpa，A字型筋板與立筋板連接處最大應(yīng)力為224Mpa。以上關(guān)鍵位置極限情況下，受力均小于材料的許用應(yīng)力值，則原設(shè)計(jì)滿足改造的需求。在建立鋼包回轉(zhuǎn)臺模型時(shí)，出于計(jì)算速度和內(nèi)存的需要，省去了回轉(zhuǎn)筒內(nèi)側(cè)的18塊筋板和外側(cè)的36塊筋板，在實(shí)際工作中，這些筋板對模型有一定的加強(qiáng)作用，會(huì)對計(jì)算的應(yīng)力值有一定的減弱作用，因此結(jié)合以上計(jì)算模型數(shù)據(jù)，可以得到原鋼包回轉(zhuǎn)臺在沒有制造和使用缺陷的情況下，可以認(rèn)為滿足改造的需求。

圖7 單包位主要承重部件受力圖

4 總結(jié)

1)通過對回轉(zhuǎn)臺應(yīng)力校核計(jì)算分析得到，回轉(zhuǎn)臺在兩種工況下均能夠滿足鋼包回轉(zhuǎn)臺改造的需求。

2)若轉(zhuǎn)臺支臂采用箱型梁設(shè)計(jì)可以有效改善轉(zhuǎn)臺的受力狀態(tài)，可以較大程度的減小應(yīng)力集中的產(chǎn)生。

3)轉(zhuǎn)臺兩側(cè)的A型設(shè)計(jì)可以使轉(zhuǎn)臺側(cè)板受力更為均勻，同時(shí)對轉(zhuǎn)臺有一定的保護(hù)作用。