4.5×3.5×3 型室式回火爐門橫梁強度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

尹躍峰，趙大為，韓圣杰，董翠粉

（1.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450007；2.鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450061）

0 引言

某鑄鍛車間的4.5×3.5×3 型室式回火熱處理爐主要用于對鑄鍛件以及其他零件進行回火等熱處理工藝，它由爐體、爐門及升降系統(tǒng)、助燃風系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱風循環(huán)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等部分組成，如圖1 所示。

爐門橫梁作為爐門及升降系統(tǒng)中的重要部分，是典型的變剛度截面梁結(jié)構(gòu)，在以往的傳統(tǒng)設(shè)計中，一直沿用的傳統(tǒng)解析方法需要一系列的假設(shè)，其計算結(jié)果往往與實際相差很大，對其撓度的計算難以準確定位，為安全起見，往往對型鋼的選型過大[1,2]。本文通過ANSYS Workbench 有限元分析軟件對爐門橫梁進行詳細的強度分析和研究，旨在為4.5×3.5×3 型室式回火爐門橫梁的校核及優(yōu)化改進方案提供有力的理論依據(jù)，從而準確掌握部件的應力分布規(guī)律，節(jié)約材料、降低制造成本。

1 爐門橫梁結(jié)構(gòu)及受力分析

圖1 室式回火爐主要結(jié)構(gòu)圖

4.5×3.5×3 型室式回火爐爐門橫梁由兩根長度為7 320 mm 的28 號Q235-A 熱軋型鋼作為主體，縱向分布11 塊加強型鋼通過焊接而成。爐門橫梁頂部安裝有爐門提升裝置，根據(jù)材料力學知識，該爐門橫梁可簡化為圖2 所示簡支梁力學模型[3]。

圖2 爐門橫梁受力示意圖

經(jīng)分析計算，P1力的大小為39 700 N，對稱作用在距衡量中心1 600 mm 位置處，F(xiàn) 力的大小為1 700 N，l=6.85 m，a=1.825 m。因Q235-A 的彈性模量E=210 GPa，28 號槽鋼的截面慣性矩I=4 760 cm4，由疊加法可求得爐門橫梁中點處的撓度fmax為[3，4]：

由于爐門橫梁頂部要安裝減速機提升裝置，為保證水平方向的配合尺寸，需要保證爐門橫梁豎直方向的變形量要滿足提升裝置中的滾子鏈聯(lián)軸器的技術(shù)要求。由于GL8 滾子鏈聯(lián)軸器允許的偏差為3.8 mm，軸向偏差角度為1°[4]，由前計算結(jié)果可得，爐門橫梁的撓度轉(zhuǎn)角θ=1.2°＞1°，該撓度變化超過GL8 滾子鏈聯(lián)軸器的許用變形量，不符合設(shè)計要求，因此需要對爐門橫梁的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，以使其滿足滾子鏈聯(lián)軸器的使用要求。

3 爐門橫梁結(jié)構(gòu)改進及強度分析

3.1 爐門橫梁結(jié)構(gòu)改進

根據(jù)材料力學知識，采用改變橫梁主體槽鋼的型號的方法對整體的撓度變形量的改變影響甚微，結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗，在爐門橫梁下方焊接兩塊10 mm 厚的Q235-A 鋼板作為腹板，增加其整體的剛度，采用SolidWorks 建立的三維模型輪廓圖如圖3所示。

圖3 爐門橫梁結(jié)構(gòu)圖

3.2 爐門橫梁強度分析

（1）網(wǎng)格劃分

ANSYS Workbench 對SolidWorks、Pro/E、UG 等大型CAD 建模軟件能實現(xiàn)真正的無縫聯(lián)接,并在其統(tǒng)一的環(huán)境中實現(xiàn)各種模型的裝配和CAE 工程分析。ANSYS Workbench 本身可以對網(wǎng)格劃分進行詳細的優(yōu)化，特別是針對復雜不規(guī)則的機械零件網(wǎng)格模型可以進行特殊的優(yōu)化，剔除無用因素，保留對結(jié)果起關(guān)鍵作用的因素，符合結(jié)構(gòu)現(xiàn)實工況的需要[5,6]。由于爐門橫梁結(jié)構(gòu)并不是特別復雜，采用智能劃分完全能滿足工程實際，如圖4 所示，這里采用Solid187 實體單元對爐門橫梁模型進行網(wǎng)格劃分，共劃分為26 144 個單元，51 871 個節(jié)點。

圖4 爐門橫梁FEA 網(wǎng)格模型

（2）載荷與約束的添加

爐門橫梁兩端與爐門立柱通過焊接的方式固定在一起，爐門提升機構(gòu)在工作時，橫梁所受的載荷達到最大，在ANSYS Workbench 中對橫梁兩端添加固定約束。由前分析，將垂直于橫梁表面豎直向下的力P1=39 700 N、力F=1 700 N 分別添加到提升機構(gòu)支架、減速機支架與橫梁的接觸區(qū)域。

（3）強度分析結(jié)果

爐門橫梁的材料為Q235A 型鋼及鋼板焊接而成，此類低碳鋼結(jié)構(gòu)失效的形式一般因塑性屈服而失效，因此在做數(shù)值分析時要選擇Von Mises 等效應力作為結(jié)構(gòu)強度的判斷標準[5]。在ANSYS Workbench 中對星形架的各個支臂施加約束，并按照極限工況添加載荷后計算，獲得的結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 爐門橫梁等效應力云圖

圖6 爐門橫梁變形云圖

從圖5、6 可以看出，當爐門提升機構(gòu)處于工作狀態(tài)時，承受的工作載荷達到最大，此時爐門橫梁的等效應力和變形均達到最大值。最大等效應力為79.434 MPa，遠遠小于Q235-A 型鋼材料的屈服強度。從圖6 可看出爐門橫梁的跨中撓度為2.8 746 mm，此時爐門橫梁的撓度轉(zhuǎn)角為0.048°，遠遠小于GL8 滾子鏈聯(lián)軸器允許的軸向偏差角度1°，由設(shè)計要求知，此時爐門橫梁的跨中撓度變形符合GL8 滾子鏈聯(lián)軸器的使用要求。

4 結(jié)語

（1）針對爐門提升機構(gòu)以往傳統(tǒng)設(shè)計中靠單純增大型鋼型號而剛度變化不大的現(xiàn)象，采用增加腹板的方式來減小爐門橫梁的撓度，并運用ANSYS Workbench 對改進后回火爐的爐門橫梁模型進行了結(jié)構(gòu)分析，獲得其應力與應變的分布情況，可知增加腹板可大大增強爐門橫梁的剛度。

（2）改進后的結(jié)構(gòu)滿足爐門提升機構(gòu)的技術(shù)要求，撓度變化在許用范圍之內(nèi)，為以后同類型的爐型設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)和參考價值。

[1]李志剛，賈慧芳，羅強，等.基于ANSYS 的大型回轉(zhuǎn)窯及其支承件結(jié)構(gòu)分析[J].礦山機械，2014，42（8）：104-107.

[2]周賢.回轉(zhuǎn)窯輪帶受力模型及接觸應力仿真分析[J].中南工業(yè)大學學報，2002，33（5）：526-529.

[3]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]成大先.機械設(shè)計手冊(第三版)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[5]黃國權(quán).有限元法基礎(chǔ)及ANSYS 應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[6]許京荊.ANSYS 13.0 Workbench 數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2012.3.