基于有限元法的鋼包回轉臺結構優化

張雷

摘要：文章對單臂承載能力為230t的鋼包回轉臺進行了負載為280t情況下的受力分析，得到了鋼包回轉臺在280t負載情況下的靜態應力分布，并以此為依據優化改進了原230t鋼包回轉臺結構，使其承載能力升級。

關鍵詞：鋼包回轉臺；有限元；靜力分析；承載能力升級

中圖分類號：TF341 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0044-04

鋼包回轉臺是設在連鑄機澆鑄位置上方用于運載鋼包過跨和支承鋼包進行澆鑄的設備。它是連鑄機生產線上的關鍵設備之一，起著連接上下兩道工序的重要作用。

蝶形鋼包回轉臺由底座、升降液壓缸、回轉架、鋼包支座、回轉臂、平行連桿、鞍形座、驅動裝置、防護板等組成，其單臂承載能力為230t。為降低人工成本，節約時間，利用以前設計的原單臂承載能力230t鋼包回轉臺，利用有限元軟件計算載荷在280t情況下的受力情況，根據分析結果對其結構進行改造，達到承載要求。

1 有限元分析模型的建立

鋼包回轉臺是由大量的鋼板通過焊接組成的結構件，本文將厚長比小于1/15的構件采用殼單元處理。

鋼包回轉臺工作時，液壓缸有推力作用，本分析中把液壓缸的推力當成系統內力，用剛性單元代替，如圖1所示：

圖2是鋼包回轉臺支撐臂處在接放鋼包狀態時的有限元分析模型。

鋼包回轉臺各部分材料機械性能數據見表1。

2 邊界條件

2.1 約束

鋼包回轉臺是靠底座上的40個M72的螺栓固定在設備基礎上，因此分析時用模擬螺栓作用的剛性單元代替實際螺栓，并施加全約束載荷。如圖3所示為底座約束局部圖。

2.2 載荷

鋼包回轉臺所受到的載荷為裝置自身的重力載荷和承受的鋼包、鋼水重力載荷。

2.2.1 自身重力載荷。鋼包回轉臺裝置自身重力載荷：1720281.6N（175.36t，加上加蓋裝置自重）。

2.2.2 鋼包、鋼水重力載荷。鋼包回轉臺在高位放包時有三種載荷工況（以下分析中所述的高位滿包載荷均乘1.8的沖擊載荷系數）：

工況I：高位滿包、低位為空：

滿包載荷：280000×9.81×1.8=4.944E+6N

工況Ⅱ：高位滿包、低位空包：

滿包載荷：4.944E+6N

空包載荷：100000×9.81=9.81E+5N

工況III：雙邊滿包：

高位滿包載荷：4.944E+6N

低位滿包載荷：280000×9.81=2.75E+6N

鋼包（含鋼水）的重力載荷作用在鞍形座上，在本分析中將一對鞍形座上表面的若干節點用剛性單元集中連接于鞍形座對稱中心點，然后在此中心節點上按不同的工況施加鋼包和鋼水的重力載荷，如圖4所示：

3 靜強度分析

基于上述邊界條件，采用ANSYS非線性接觸結構靜力分析方法，得出了鋼包回轉臺整體系統的應力和彈性變形位移結果。圖5至圖7是鋼包回轉臺整體系統在不同工況下的應力分布云圖。

由于整體結構應力水平較高，所以此最大應力的部位所對應的材料可能也不具備足夠的強度，又由于零部件含不同的材料或采用不同厚度的鋼板焊接，故有必要考察主要零部件的應力水平及局部分布。表3歸納了底座、回轉支座、升降臂、鞍形座、連桿、銷軸、襯套、上框架上的最大應力及其發生部位的分析結果。表中括號里的尺寸為最大應力單元所屬的零件板厚或銷軸直徑。對于回轉支承的受力情況另作討論。

從表3可以歸納得出基本結論：

（1）底座在單邊滿包、一邊為空時偏載最大，應力最大，隨著偏載的減小應力隨之減小，應力水平中等，安全系數為1.4～2.3。

（2）鞍形座、連桿、銷軸、襯套的最大應力和所在部位基本無變化或變化很小，應力水平中等，安全系數為2.1～5.5。

（3）上框架的最大應力隨著兩邊載荷的增加而增大，應力水平中等，安全系數為1.6～1.7。

（4）回轉支座上應力分布很不均勻，最大應力隨著偏載的減小而減小，但最大應力超過或接近所在筋板的屈服極限（325MPa），需要改進設計，增加結構強度，使應力分布均勻，特別是圓筒外筋板的布置需要改進。

（5）升降臂的應力水平較高，最大應力隨著偏載的減小而增大，這是因為兩邊的升降臂由液壓缸與上框架連接，兩側載荷的增加對升降臂有影響，安全系數為1.27～1.4。

（6）從應力分析的結果可以看出，高位滿包、低位為空時為最惡劣工況。

4 改進設計

4.1 改進方案

根據前面的分析結果，對本鋼包回轉臺的設計進行了改進和優化，其中升降臂的臂長縮短了300mm，局部進行圓角處理，回轉支座上部框架的高度增加200mm，相應縮短了圓筒體的高度200mm，圓筒外筋板的數量由12塊增加為20塊，分布更均勻。其他零部件未作修改。

4.2 改進后鋼包回轉臺的靜強度分析

改進后的整體和部分零部件（升降臂、回轉支座）的分析結果，如圖8至圖10所示。

表4為改進后的回轉支座和升降臂的應力及分布。

從重新計算的結果可以看出，鋼包回轉臺全域最大應力水平有了大幅度降低，特別是回轉支座圓筒外筋板上的應力下降了100多MPa，只在高位滿包、低位為空時全域最大應力出現在筋板上，其值低于它的材料屈服極限（Q345-A，30mm，σS/σmax=325/234=1.39），滿足強度要求；而升降臂的應力水平也有顯著降低，最大應力值均低于材料的屈服極限（Q345-A，40mm，

σS/σmax=295/199=1.48），滿足強度要求。因此，改進后的設計使得回轉支座的結構強度明顯加強，全域的應力分布更合理。

5 結語

通過對230t鋼包回轉臺在280t超負載情況下的靜強度分析，找到了結構在超負荷情況下的薄弱部位，并對其進行合理的改進、優化，通過有限元分析，驗證了改進、優化后的鋼包回轉臺的承載能力已經達到了280t負荷的要求。

（責任編輯：吳 濤）