大型鋼錠澆鑄輔助平臺設計及ANSYS分析

費國勝，王會中，杜雨軒

大型鋼錠澆鑄輔助平臺設計及ANSYS分析

費國勝，王會中，杜雨軒

（四川工程職業技術學院 機電工程系，四川 德陽 618000）

針對煉鋼廠的場地情況和設計要求，設計了一種用于澆鑄大型鋼錠的中注管的安裝與維護輔助平臺。首先提出了輔助平臺的設計方案，然后采用SolidWorks軟件對輔助平臺進行了三維建模，詳細介紹了機架、升降平臺、翻轉平臺和伸縮平臺的結構設計，以及升降平臺的傳動系統設計，最后將關鍵部位模型導入ANSYS進行了靜力學分析，分析表明，設計的輔助平臺強度和鋼度均滿足使用要求。該輔助平臺可同時對兩個中注管進行安裝和維護，集升降、翻轉折疊和伸縮等功能于一體，具有很好的穩定性和安全性，可降低施工難度和勞動強度，有效保證施工精度和效率。

鋼錠；輔助平臺；SolidWorks；ANSYS

鋼錠是制造各種鋼材的原材料。煉鋼廠的主要任務就是將鋼水脫硫、脫磷、脫碳和脫氧合金化，然后將鋼水澆鑄成鋼錠。鋼錠澆鑄工藝中，按鋼水進入鋼錠模的方位分為上注和下注，上注是指由盛鋼桶流出的鋼水從上部直接注入單支鋼錠模，下注是指由盛鋼桶流出的鋼水經中注管和流鋼磚從下部同時注入多支鋼錠模。下注需要使用中注管，中注管是下注時安放于底板中央用以從下部向多支鋼錠模注入鋼水的輔助澆鑄工具[1]，比鋼錠模高200～300 mm，由鑄鐵外殼、漏斗磚、中注管磚和石英砂組合而成。中注管的組裝關鍵在于中注管磚的組裝和石英砂的填充，其安裝效果將嚴重影響鋼錠的澆鑄效果。

某煉鋼廠擬新建一個澆鑄大型鋼錠的下注坑，為了提高澆鑄效率，下注坑需要通過兩個中注管一次性澆鑄出四個大型鋼錠。澆鑄大型鋼錠所使用的中注管比較高，而每塊中注管磚的高度約為270 mm左右，故需要數十塊中注管磚疊加在一起組成中注管的內襯。常規中注管的組裝方法對于大型中注管的安裝和維護難度較大，且不能保證安裝精度，所以煉鋼廠想要在下注坑旁的地面上設計安裝一個輔助平臺，用以解決中注管的安裝和維護問題。

本文針對煉鋼廠的場地情況和設計要求，提出了輔助平臺的設計方案，采用SolidWorks進行了輔助平臺的三維結構設計，最后使用ANSYS對其關鍵部件進行了靜力學分析。

1 輔助平臺設計

1.1 設計要求

煉鋼廠擬在廠房地面挖掘一個深坑來新建下注坑，下注坑長15 m、寬5 m、深2 m，輔助平臺安裝在下注坑旁的地面上，需要留出可供人正常行走的過道，此外，輔助平臺還需要滿足以下設計要求：①能同時對兩個中注管進行安裝和維護；②能在不同高度位置對中注管的安裝和維護進行操作；③能折疊收納，不影響鋼錠澆鑄過程；④輔助平臺因需承載操作工人及待安裝的中注管磚的重量，所以結構上要保證強度和剛度。

1.2 設計方案

輔助平臺的設計方案如圖1所示。

圖1 輔助平臺設計方案

根據下注坑的尺寸和鋼錠模的大小，在下注坑內部選定兩個安裝中注管的位置，每個中注管連接兩個鋼錠模，可用于澆鑄兩個大型鋼錠，保證該下注坑可用于四個大型鋼錠的澆鑄。下注坑旁安裝輔助平臺，用于兩個中注管的安裝和維護，工人在操作時需要位于不同的高度位置，因此輔助平臺首先需要實現升降功能。中注管的位置離安裝輔助平臺的位置較遠，故需要設置一個懸臂伸出的操作平臺。輔助平臺只有在對中注管進行安裝和維護時才需要使用，而在澆鑄鋼錠時輔助平臺又不能影響鋼錠的澆鑄，所以懸臂伸出的平臺要能夠旋轉或伸縮進行折疊收納。

綜上所述，本設計方案提出的輔助平臺結構主要由機架、升降平臺、翻轉平臺和伸縮平臺組成。機架固定在下注坑一側的地面上，與下注坑邊緣留出一定的距離來設置過道。升降平臺能夠沿著機架上的導軌上下運動，可在行程范圍內的任意位置停留。翻轉平臺與升降平臺通過鉸鏈連接，可隨升降平臺一起升降和相對升降平臺轉動，使翻轉平臺可收攏到機架內或展開到與升降平臺水平的位置，以便于空出澆鑄操作空間。伸縮平臺放置于翻轉平臺內部，可向外伸出翻轉平臺或收納到翻轉平臺內部，能夠擴大操作范圍，降低操作難度。共設置有四個伸縮平臺，每個中注管旁設置兩個伸縮平臺，可提高中注管的安裝和維護質量和效率。

1.3 三維整體結構

按照設計方案，采用SolidWorks對輔助平臺的詳細結構進行三維設計建模[3]，其整體結構的三維模型如圖2所示，其中機架包含有升降平臺傳動系統以及對傳動系統進行安裝和維護的上層平臺。機架與地面固定，在其頂面安裝升降傳動系統，采用電動方式實現升降平臺的上下運動。翻轉平臺與升降平臺通過鉸鏈連接，采用液壓推動的方式實現翻轉平臺的翻轉運動。伸縮平臺的連接支架與翻轉平臺內部固定連接，采用液壓推動的方式實現伸縮平臺的伸縮運動，四個伸縮平臺可以單獨運動，可根據實際情況靈活操作。

圖2 輔助平臺展開狀態

當需要對中注管進行安裝或維護時，通過啟動翻轉平臺和伸縮平臺的液壓推桿使輔助平臺處于展開狀態，如圖2所示，通過傳動系統使升降平臺處于合適的高度位置，工人即可去到中注管所在的位置對其進行安裝或維護，升降平臺可根據需要帶著翻轉平臺和伸縮平臺停留在任意高度位置。當需要澆鑄鋼錠時，通過啟動翻轉平臺和伸縮平臺的液壓推桿使輔助平臺處于收攏狀態，如圖3所示，即可使輔助平臺不影響鋼錠的澆鑄過程。

圖3 輔助平臺收攏狀態

2 關鍵部件結構設計

2.1 機架及升降平臺傳動系統設計

機架主體采用型材，例如H型鋼、槽鋼、角鋼等焊接而成，考慮整體加工、運輸和安裝的便捷性，將機架整體分為了幾個部件單獨焊接，然后再通過螺栓連接的形式在現場進行組裝。機架的結構設計主要考慮承載能力，并通過有限元分析進行結構優化設計。在機架頂部設置升降平臺的傳動系統，考慮安裝和維護傳動系統的便捷性，在機架上還設置了方便工人站著對傳動系統進行操作的平臺。

能夠實現升降運動的機構有很多，比如絲桿螺母機構、齒輪齒條機構、剪叉式升降機構和鏈條式升降機構等[4]，綜合考慮成本、加工難度、效率等因素，本方案采用鏈條式升降機構[5]，其具有結構簡單、承載大、穩定性高的優點。由于升降平臺長度尺寸較大，需要在平臺的四個角端設置與鏈條的連接點，并且需要考慮這四個連接點升降過程的同步問題。本方案采用機械同步的方式，由一個電機提供動力，通過傳動系統實現四個連接點的同步運動。

傳動原理如圖4所示，電機放置于機架頂端中間位置，經過螺旋錐齒輪轉向箱進行第一次減速后將動力向左右兩側分流，兩側為對稱結構，通過傳動軸將動力輸入蝸桿蝸輪減速器進行第二次減速，然后將動力向前后兩側傳送到機架頂端的四個鏈輪上，四個鏈輪分別作為四組鏈傳動的主動鏈輪，從動鏈輪放置于主動鏈輪對應的機架下端，鏈條的一條邊斷開后與升降平臺連接，主動鏈輪帶動鏈條運動時就會使升降平臺運動。在靠近翻轉平臺的兩組鏈傳動增加配重，即這兩處的鏈條一邊與升降平臺連接，另一邊與配重連接，配重與升降平臺的運動方向相反，通過配重能夠減小升降平臺運動需要的扭矩，從而減小電動機的功率和尺寸。

圖4 升降臺傳動原理圖

2.2 升降平臺設計

升降平臺的三維結構如圖5所示，主體采用型材焊接，上面鋪設花紋鋼板，升降平臺還設置有與升降傳動系統鏈條的連接結構、與翻轉平臺的連接結構以及升降運動導向裝置。在升降平臺左右兩端共設置八個與鏈條的連接點，通過將鏈條斷開后把銷穿過鏈條和連接接頭的方式進行連接，從而使鏈條運動帶動升降平臺運動。在升降平臺前側共設置六個鉸鏈座，通過鉸接方式與翻轉平臺連接，從而使翻轉平臺能夠繞鉸鏈點轉動。

鏈條屬于柔性部件，采用鏈條式升降機構帶動升降平臺上下運動時容易發生晃動，為了保證升降平臺運動時的平穩性，在升降平臺上設置有導向裝置，如圖5所示，導向裝置由機架上的導軌和升降平臺上的導輪組配合構成。在機架兩端的四個角落處共設置有四根導軌，在升降平臺兩端角落上下位置共設置八個導輪組與導軌接觸，每個導輪組由兩個導輪A和一個導輪B組成，兩個導輪A與導軌的兩側面滾動接觸，可以對升降平臺進行寬度方向的導向和限位，導輪B與導軌的頂面滾動接觸，可以對升降平臺進行長度方向的導向和限位，使得升降平臺只剩下高度方向的自由度，從而保證升降平臺的運動安全平穩。

圖5 升降平臺及導向裝置結構

2.3 翻轉平臺結構設計

翻轉平臺的三維結構以及和升降平臺的連接方式如圖6所示，翻轉平臺整體采用型材焊接，上面鋪設花紋鋼板，翻轉平臺上部設置耳板，與升降平臺通過鉸鏈連接，可繞連接點旋轉，采用液壓推桿推動的方式實現翻轉平臺的翻轉運動，可以實現收納功能，翻轉平臺下部設置緩沖限位裝置，可以對翻轉平臺展開至水平狀態時進行限位。翻轉平臺長度與升降平臺一致，沿長度方向布置四個伸縮平臺，分別對應到兩個中注管的位置上，翻轉平臺內部空出空間，用于安裝伸縮平臺，使得伸縮平臺可以縮回收納到翻轉平臺內部。

圖6 翻轉平臺結構

2.4 伸縮平臺結構設計

根據煉鋼廠的場地布置要求，伸縮平臺需伸出的長度較長，為保證伸出時的強度和剛度，本方案采用兩級伸縮結構。如圖7所示。

圖7 伸縮平臺結構

伸縮平臺由連接支架、滑軌和滑動平臺組成，滑動平臺上鋪設花紋鋼板，連接支架固定在翻轉平臺的內部，滑軌可以在連接支架的槽內滑動，滑動平臺可以在滑軌上滑動。液壓推桿與滑動平臺連接，液壓推桿帶動滑動平臺伸縮時滑軌會隨之伸縮，兩級伸縮通過機械結構共享一個液壓推桿作為動力，滑動平臺伸出到達最遠位置時滑軌伸出到達滑動平臺中部位置，對滑動平臺起到支撐作用。伸縮平臺擴大了工人的操作空間，降低了工作難度，從而保證中注管的安裝和維護的質量，提高工作效率。

3 關鍵部件有限元分析

3.1 機架靜力分析

為了驗證設計的輔助平臺結構上是否合理，在完成三維模型后應用ANSYS軟件對一些關鍵部件進行有限元分析。首先對機架進行靜力學分析，以驗證機架結構是否滿足強度和剛度條件[7]。在ANSYS中建立靜力學分析項目，導入機架三維模型，定義所有零件材料為Q345，材料屬性：泊松比0.3、彈性模量206 GPa、密度7850 kg/m3、屈服強度345MPa，采用自由網格劃分，得到節點數241801、單元數84740，將機架下端與地面連接的端面固定，考慮除機架外所有部件的重量以及平臺上的載重情況，在機架頂端支撐鏈輪的幾個面施加豎直向下的合力50000 N，設置重力加速度為9.8 m/s2，求解得到應力和位移云圖，如圖8、圖9所示。

圖8 機架應力云圖

圖9 機架位移云圖

從圖8可知，機架最大應力為110.3 MPa，位于機架頂端鏈輪支撐處。從圖9可知，機架最大總變形量為2.66 mm，位于機架頂端中部。機架最大應力遠遠小于材料屈服強度，總變形量相對于機架的尺寸來說基本可以忽略不計，所以機架的強度和剛度滿足使用要求。

3.2 伸縮平臺靜力分析

按照同樣的方法步驟對伸縮平臺進行靜力學分析，以驗證伸縮平臺的結構在處于伸出狀態時是否滿足強度和剛度條件。在ANSYS中導入伸縮平臺三維模型，采用自由網格劃分，得到節點數60480，單元數19712，將連接支架與翻轉平臺連接的端面固定，考慮伸縮平臺上的載重情況，在伸縮平臺最前端施加豎直向下的合力10000 N，求解得到應力和位移云圖，如圖10、圖11所示。

圖10 伸縮平臺應力云圖

圖11 伸縮平臺位移云圖

從圖10可知，伸縮平臺處于伸出狀態時的最大應力為172.6 MPa，位于伸縮平臺最前端。從圖11可知，伸縮平臺處于伸出狀態時的最大總變形量為2.5 mm，同樣位于伸縮平臺最前端。伸縮平臺最大應力遠遠小于材料屈服強度，變形量也比較小，所以伸縮平臺的強度和剛度滿足使用要求。

4 結語

本文設計了一個用于澆鑄大型鋼錠的中注管的安裝與維護輔助平臺，結構主要由機架、升降平臺、翻轉平臺和伸縮平臺組成，可以實現升降、翻轉折疊和伸縮功能，滿足煉鋼廠的場地布置要求和使用要求。采用SolidWorks三維軟件對輔助平臺進行了建模，詳細介紹了關鍵部件結構設計，并將關鍵部件模型導入ANSYS進行了靜力學分析，分析結果表明設計的輔助平臺強度和鋼度均滿足使用要求。

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Design and ANSYS Analysis of the Auxiliary Platform for Large Steel Ingot Casting

FEI Guosheng，WANG Huizhong，DU Yuxuan

( Department of Electromechanical Engineering, Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000,China)

According to the site conditions and design requirements of the steel plant, an auxiliary platform for the installation and maintenance of the central casting pipe for casting large steel ingots is designed. Firstly, the design scheme of the auxiliary platform is proposed, and then the three-dimensional modeling of the auxiliary platform is carried out by using SolidWorks software. The structure design of the frame, lifting platform, turnover platform and telescopic platform, as well as the transmission system design of the lifting platform are introduced in detail. Finally, the key parts of the model are imported into ANSYS for static analysis. The analysis shows that the strength and rigidity of the auxiliary platform meet the use requirements. The auxiliary platform can install and maintain two central casting pipes at the same time. It integrates the functions of lifting, turning, folding and stretching. With good stability and safety, it can reduce the construction difficulty and labor intensity and ensure the construction accuracy and efficiency.

ingot；auxiliary platform；SolidWorks；ANSYS

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.10.004

1006－0316 (2020) 10－0022－06

2020－04－15

四川工程職業技術學院專項項目（YJ2019KJ-10）

費國勝（1987－），男，四川樂山人，碩士，講師，主要研究方向為機械設計與制造，E-mail：fgszlq123@163.com。