連鑄拉矯機強度分析和冷卻水系統研究

夏龍偉，黃森炎，劉 波，萬宇軒

(中鋼集團衡陽重機有限公司，湖南 衡陽 421002)

0 前言

本文的研究對象拉矯機為鉗式框架結構，主要由機架、鉗桿、壓下臂、液壓缸、上下輥裝配、電機、減速機、隔熱水套和冷卻水系統組成，如圖1所示。拉坯機的上、下輥均為傳動輥，矯直機只有上輥傳動。壓下裝置的各個動作由液壓缸來完成［1］。

1 有限元(靜態)分析

拉矯機的強度直接決定其工作安全性，進而影響鑄坯的尺寸精度和質量。因此，對拉矯機進行強度分析具有重要的實際意義［2］。

圖1 拉矯機主要部件Fig.1 Main parts of withdrawal straightener

1.1 拉矯機受力狀況

拉矯機的設計中，為了克服拉坯阻力和裝引錠桿時拉輥的受力［3］，必須在輥子上施加一定的正壓力。經過計算可知，裝引錠桿時的正壓力最大，于是只分析裝引錠桿時的情況。

裝引錠桿時，引錠桿向上運行，摩擦阻力向下，下滑力向下，則裝引錠桿拉輥的受力

式中，g=9.8 m/s2;A為引錠桿斷面積，A=192.67 cm2;R為鑄機基本弧半徑R=900 cm;ρ為引錠桿材料比重，ρ=0.0078 kg/cm3;α為引錠頭極限位與拉輥最大包角，α=80°;μ0為二冷裝置內摩擦系數，μ0=0.15。

由于有兩對拉輥，對一對拉輥的上輥，拉輥的受力F′r=Fr/2=6455.63 N

輥子上正壓力 N=F′r/μ1=161390.75 N

式中，μ1為輥與引錠桿摩擦系數，μ1=0.04。

從結構上看，液壓缸的壓下力與拉輥的壓下力之間有杠桿關系，則液壓缸的壓下力

式中，a為油缸至轉軸距離，a=842 mm;b為輥子中心至轉軸距離，b=550 mm。

輥子受的摩擦力Ff=6455.63 N，考慮到平衡，輥子的轉矩為

式中，r為輥子半徑，r=175 mm。

1.2 有限元分析

建立拉矯機幾何體，將減速機和電機壓縮，以簡化模型。

1.2.1 材料屬性準備

零件(除輥子外)材料選用普碳鋼，輥子材料選用合金鋼。

1.2.2 定義夾具

將機架底部六塊面板的下表面選擇為固定幾何體。

1.2.3 施加外部載荷

對上下輥各施加壓力161390.75 N、摩擦力6455.63 N、轉矩1129.74 N·m;對液壓缸活塞施加壓力105421.51 N;對液壓缸底部施加壓力105421.51 N，忽略周向力(相互抵消)。對上下輥軸端減速機位置各施加壓力3000 N(由于減速機已經壓縮)，如圖2所示。

1.2.4 劃分網格

圖2 拉矯機受力加載示意圖Fig.2 Diagram of load-carrying force on withdrawal straightener

設置網格密度接近良好，應用網格控制對局部細化。

1.2.5 結果分析

圖3為等效應力圖。由圖3可以看出，受力比較大的兩個區域是被活塞桿壓下的鉗桿上部的面板，還有鉗桿和機架鉸接處的銷軸孔邊緣及銷軸。最大等效應力出現在后者區域，約210.3 MPa。材料是Q235，屈服強度σs=235 MPa，選取安全系數n=1.5，則許用應力［σ］=σs/n=235/1.5=156.7 MPa。顯然，許用應力小于計算得到的最大等效應力，有安全隱患。所以必須進行改進，考慮到銷軸孔邊緣的應力集中，于是對銷軸孔邊緣倒圓角。為了增加銷軸的強度，將銷軸材料換為合金鋼。被活塞桿壓下的鉗桿上部的面板也存在安全隱患，在其下方增加了一個支撐板，同時保證其剛度要求，如圖4所示。

圖3 等效應力分布圖Fig.3 Distribution of equivalent stress

再次計算后，最大等效應力明顯降低，接近148 MPa。最大等效應力小于許用應力。因此改進后的設計是安全的，拉矯機的強度滿足工作要求。

2 流體(冷卻水系統)分析

由于拉矯機長時間處于高溫輻射狀態下工作，所以對拉矯機各部分設備要進行有效冷卻和保護，防止設備構件產生高溫蠕變、拉坯阻力增加等問題。對拉矯機冷卻水系統進行流動和熱交換分析，有助于改進水路結構，從而延長拉矯機使用壽命［4］。

本項目拉矯機的冷卻水系統包括:軸承座及上下輥通水內冷;壓下臂、鉗桿通水內冷;減速機通水內冷;將紅熱鑄坯罩住的隔熱水套通水內冷;機架通水內冷。水冷機架還起到分水箱的作用，所有水冷卻部件的進出水管都與機架連接，機架上只有一個進水管和出水管，便于拉矯機整體快速更換，提高連鑄作業率。

2.1 流動分析

2.1.1 基本設置

模擬類型設為允許熱傳導，包括固體與固體之間，固體與流體之間。流體設置為水，固體材料選為普碳鋼。

2.1.2 邊界條件

設置進水口的流量3.6 kg/s和出水口的壓力601325 Pa。

2.1.3 結果分析

要保證水流的暢通，不允許出現死水和關鍵水路的流量過小。因為上述兩者都不能及時帶走熱量，致使水溫升高，影響冷卻效果。

第一個位置:鉗桿回水腔前端部出現死水，如圖5所示。

處理方法:將左、右軸承座的連通水管由軸承座前端改到軸承座后端，讓軸承座冷卻水由鉗桿前端流入、流出，克服鉗桿前端死水現象。

第二個位置:機架回水腔出現死水，如圖6所示。

圖5 鉗桿回水腔前端部出現死水示意圖Fig.5 Diagram of dead water at front end of claw beam recycle-water cavity

圖6 機架回水腔出現死水示意圖Fig.6 Diagram of dead water appearing in recyclewater cavity of withdrawal straightener frame

處理方法:將機架上的減速機及下輥冷卻水進出水口位置，盡量遠離軸承座中心位置。

第三個位置:隔熱水套進水腔后部上端的一個矩形管有1個進水孔和2個出水孔，只有靠近進水孔的出水孔出水，另一個出水孔不出水，導致該管子形成死水，如圖7所示。回水腔也存在同樣問題。

圖7 矩形管出現死水示意圖Fig.7 Diagram of dead water appearing in rectangular tube

處理方法:減小該矩形管兩個出水孔孔徑。

第四個位置:從流動跡線的密度看出，進壓下臂的水流量比進隔熱水套的水流量大，主要原因是兩路水管通徑相同，而壓下臂管路壓力損耗小，因此大量冷卻水經壓下臂進回水腔。但實際上隔熱水套直接受鑄坯烘烤，需要大量冷卻水冷卻，而壓下臂不直接受烘烤，冷卻水量可以減少，如圖8所示。處理方法:將壓下臂的進出水口管徑由原來的1in改為0.75in，這樣可以保證隔熱水套做進水量。

圖8 壓下臂和隔熱水套流動跡線圖Fig.8 Flow-trace of depressing-arm and heat-resistant water

2.2 熱交換分析

整體熱交換水路水溫變化很小，故不用分析。只有隔熱水套溫升比較大，所以只對隔熱水套進行熱分析。其實鑄坯放出的熱量大部分是在隔熱水套進行熱交換的。

需要說明的是，為了實現方坯—空氣—隔熱水套—水之間的熱交換，需要把隔熱水套放在假定的一個空箱體里，以實現熱空氣的傳熱。

2.2.1 基本設置

模擬類型設為允許熱傳導，包括固體與固體之間，固體與流體之間。流體設置為空氣(默認)和水，固體材料選為普碳鋼。

2.2.2 流體區域

為水設置流動子區域。

2.2.3 邊界條件

設置空氣流動環境壓力101325 Pa。

設置進水口的流量1 kg/s和出水口的壓力601546 Pa。

2.2.4 設置熱源

設置一定長度(1700 mm)方坯為熱源，定義熱量60 kJ/s和溫度1000℃。

2.2.5 結果分析

水溫變化趨勢合理。水溫從常溫最多上升了6.5℃，位于6℃ ～10℃內，符合設計要求，如圖9所示。

圖9 冷卻水水溫分布圖Fig.9 Distribution of water temperature of cooling water

3 結論

(1)通過對R9 m拉矯機的強度分析，找到了結構的薄弱位置，即被活塞桿壓下的鉗桿上部的面板，還有鉗桿和機架鉸接處的銷軸孔邊緣及銷軸。從而有針對性的作了改進，優化了設計，保證了拉矯機工作的安全性。

(2)通過對R9 m拉矯機的冷卻水系統的流動仿真，找出了某些水路出現死水和關鍵水路流量過小的原因，提出了處理方法。并進行了熱交換仿真，得出隔熱水套整體水路設計的合理性。該工作有助于改進冷卻水系統的水路結構，從而延長拉矯機使用壽命。

［1］ 王浦江．小方坯連鑄(再版)［M］．北京:機械工業出版社，1998．

［2］ 陳超祥，葉修梓．SolidWorks Simulation基礎教程(2010版)［M］．北京:機械工業出版社，2010．

［3］ 胡堅．六廠R6×1700弧形連鑄機拉矯機改造設計計算［J］．重鋼技術，1990，12(5)．

［4］ 賀坤茂．大方坯連鑄拉矯機冷卻水箱長壽化［J］．設備技術，2007(3)．