300t轉(zhuǎn)爐四點(diǎn)懸掛裝置分析與研究

嚴(yán)國平

(中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223)

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300t轉(zhuǎn)爐四點(diǎn)懸掛裝置分析與研究

嚴(yán)國平①

(中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223)

以自主開發(fā)的四點(diǎn)懸掛式轉(zhuǎn)爐連接裝置為研究對象，運(yùn)用有限元軟件，結(jié)合子模型分析技術(shù)，對主、副懸掛裝置進(jìn)行受力分析，并結(jié)合材料的屈服極限，對主、副懸掛裝置危險(xiǎn)部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。計(jì)算結(jié)果表明：主懸掛局部最大綜合應(yīng)力大于副懸掛局部最大綜合應(yīng)力，達(dá)到了四點(diǎn)懸掛裝置的初始設(shè)計(jì)要求，各危險(xiǎn)部件受載均在安全范圍之內(nèi)。

轉(zhuǎn)爐 四點(diǎn)懸掛裝置 子模型分析 強(qiáng)度校核

1 引言

作為轉(zhuǎn)爐核心技術(shù)之一的轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接技術(shù)是工程技術(shù)界孜孜探索的煉鋼設(shè)備重大的技術(shù)問題。通過這種連接技術(shù)及其裝置，轉(zhuǎn)爐爐體及其附件的全部重量都傳遞到廠房鋼架的基礎(chǔ)上。與此同時(shí)，該連接支承裝置還要將傾動機(jī)械的傾動力矩傳給爐體使其能隨托圈±360o轉(zhuǎn)動[1]。因此，連接支撐系統(tǒng)是轉(zhuǎn)爐設(shè)備重要的組成部分。

盧曉聰[2]等采用有限元軟件對210t轉(zhuǎn)爐VAI-CON連桿式連接裝置進(jìn)行了有限元分析。董元龍[3]結(jié)合有限元仿真技術(shù)對90t轉(zhuǎn)爐自調(diào)螺栓型轉(zhuǎn)爐聯(lián)接裝置進(jìn)行了研究。以公司自主開發(fā)的四點(diǎn)懸掛式轉(zhuǎn)爐連接裝置為研究對象，運(yùn)用有限元軟件，結(jié)合子模型分析技術(shù)對主、副懸掛裝置進(jìn)行了受力分析，并結(jié)合材料的屈服極限，對主、副懸掛裝置的銷軸進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

2 四點(diǎn)懸掛式轉(zhuǎn)爐連接裝置

四點(diǎn)懸掛式轉(zhuǎn)爐連接裝置[4]主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由二組主懸掛支承、二組彈性副懸掛支承和四副水平限位組成。二個(gè)主懸掛支承分別分布在驅(qū)動側(cè)耳軸/被側(cè)耳軸側(cè)以及托圈的正下方；二個(gè)彈性副懸掛支承分別分布在出鋼側(cè)/加料側(cè)以及托圈的正下方，這四副垂直懸掛連接部件沿爐體周向均勻分布。四副水平限位都布置在驅(qū)動側(cè)耳軸/被側(cè)耳軸附近，一方面在托圈高度上沿耳軸中心線呈上下對稱分布，另一方面沿耳軸中心線呈前后對稱分布。每個(gè)主懸掛支承主要由兩個(gè)關(guān)節(jié)球面標(biāo)準(zhǔn)軸承、兩個(gè)主銷軸、兩個(gè)托圈主連接耳板、兩個(gè)爐殼主連接耳板、一個(gè)十字交叉連接板等組成。每個(gè)彈性副懸掛支承主要含兩個(gè)關(guān)節(jié)球面非標(biāo)軸承、一個(gè)彈性碟簧組和一個(gè)碟簧、一個(gè)主支承螺栓、四個(gè)螺母、一個(gè)主銷軸、一個(gè)關(guān)節(jié)軸承等，具有自由度高/滿足爐體熱變形和碟簧緩沖的性能。每付水平限位主要含兩個(gè)止動架、兩個(gè)小碟簧組、兩個(gè)楔形塊及十六個(gè)調(diào)節(jié)螺母等組成。利用楔形塊的自鎖和碟簧組的彈性力使水平限位具有滿足熱變形和碟簧補(bǔ)償復(fù)位性能，如圖1和圖2所示。

圖1

1-主懸掛； 2-彈性副懸掛； 3-自鎖水平限位

圖2 四點(diǎn)懸掛三維模型

3 有限元模型

3.1 模型簡化

1)與懸掛支撐板連接的銷軸與其軸端擋板視為一體，不考慮緊固螺栓的預(yù)緊力。對主懸掛而言，與轉(zhuǎn)爐連接板的銷軸與其軸端擋板也視為一體；

2)不考慮焊接母材對強(qiáng)度的影響，將轉(zhuǎn)爐爐殼與轉(zhuǎn)爐連接板視為一體，整體進(jìn)行建模分析；

3)視副懸掛中的中間吊桿上部與下部的四個(gè)螺栓強(qiáng)度足夠，將中間吊桿與上部、下部的四個(gè)螺栓視為一體，整體進(jìn)行建模分析；

4)副懸掛中的碟簧組受力后剛度與懸掛材質(zhì)剛度相同，不考慮大變形。

5)本計(jì)算只對轉(zhuǎn)爐垂直吹煉工況進(jìn)行計(jì)算。

3.2 模型離散及邊界條件

根據(jù)設(shè)計(jì)承載要求，兩主懸掛是主要承重點(diǎn)，而副懸掛通過調(diào)節(jié)碟簧組調(diào)節(jié)使其達(dá)到設(shè)計(jì)承載能力。鑒于主、副懸掛受力不同，同時(shí)對主、副懸掛進(jìn)行分析較為困難。故將主、副懸掛分別與轉(zhuǎn)爐爐殼連接進(jìn)行強(qiáng)度分析。另外，本次分析的主要對象為懸掛裝置，為節(jié)約計(jì)算資源，計(jì)算模型離散時(shí)主要對懸掛部分進(jìn)行細(xì)化，轉(zhuǎn)爐爐殼部分則相對較粗糙，且僅作自由網(wǎng)格處理。

分析中，將托圈視為剛體，懸掛與之連接處視為全約束，轉(zhuǎn)爐及鋼水重量視為平均作用于轉(zhuǎn)爐底部相應(yīng)面積上的集中力。由于模型較大，為簡化分析過程，將主懸掛強(qiáng)度分析分兩步進(jìn)行。第一步，將轉(zhuǎn)爐爐殼及主懸掛作為一個(gè)整體以此為粗糙的模型并進(jìn)行分析；第二步，對主懸掛進(jìn)行局部建模并細(xì)化，通過局部模型切割邊界的插值運(yùn)算[5]，完成局部模型的邊界輸入計(jì)算，即可得到局部計(jì)算結(jié)果。局部網(wǎng)格圖如圖3和圖4所示。轉(zhuǎn)爐自重及鋼水重量設(shè)計(jì)值為1000t，對主懸掛設(shè)計(jì)受力600t，對副懸掛設(shè)計(jì)受力400t。

圖3 懸掛局部離散模型

圖4 懸掛局部離散模型

4 結(jié)果分析

根據(jù)上述分析，導(dǎo)入相應(yīng)的三維模型并對300t轉(zhuǎn)爐四點(diǎn)懸掛裝置進(jìn)行有限元受力分析，施加相應(yīng)的載荷并給定邊界條件，得到如下分析結(jié)果。

從各計(jì)算云圖中可知：對于300t轉(zhuǎn)爐來說，主懸掛局部最大綜合應(yīng)力值為559.15MPa，副懸掛局部最大綜合應(yīng)力值為537.05MPa，如果考慮副懸掛中的碟簧組自身的彈性受力變形特點(diǎn)，副懸掛局部最大綜合應(yīng)力值應(yīng)比本計(jì)算值還要小?；诒疚牡挠?jì)算假設(shè)，同樣得出主懸掛局部最大綜合應(yīng)力大于副懸掛局部最大綜合應(yīng)力這一結(jié)論，說明在實(shí)際受力過程中主懸掛為主要承載件。主、副懸掛上軸承受力主要集中于球面軸承的底部邊緣與軸承外環(huán)接觸區(qū)域，為局部壓應(yīng)力。副懸掛吊耳上部最大綜合應(yīng)力為235.87MPa，主要集中在過渡區(qū)的導(dǎo)角根部，為局部拉應(yīng)力。主懸掛吊耳上部最大綜合應(yīng)力為157.49MPa，主要集中在過渡區(qū)的吊耳最小剖切面上，為局部拉應(yīng)力。

圖5 主懸掛綜合應(yīng)力

圖6 主懸掛局部綜合應(yīng)力

圖7 副懸掛綜合應(yīng)力

圖8 副懸掛剖面局部綜合應(yīng)力

圖9 各部件局部應(yīng)力圖

5 理論結(jié)果對比

從材料受力與強(qiáng)度校核基本理論出發(fā)，對四點(diǎn)懸掛裝置的幾個(gè)危險(xiǎn)部件進(jìn)行理論校核。材料為20CrMo，屈服極限 為685MPa，轉(zhuǎn)爐懸掛裝置的安全系數(shù)n取1.5[6]。

對主懸掛上部銷軸進(jìn)行理論計(jì)算：

對主懸掛吊耳上部危險(xiǎn)斷面進(jìn)行理論計(jì)算：

對副懸掛上部銷軸進(jìn)行理論計(jì)算：

式中 τ—截面剪應(yīng)力； F—作用于銷軸截面的正壓力； A—銷軸截面面積； σ—銷軸截面的彎曲應(yīng)力； M—銷軸截面的彎矩； W—銷軸的抗彎截面系數(shù)； σtotal—銷軸的計(jì)算應(yīng)力；[σ]—銷軸的許用彎曲應(yīng)力。

對副懸掛吊耳上部危險(xiǎn)斷面進(jìn)行理論計(jì)算：

將簡化的理論計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)：有限元計(jì)算局部結(jié)果較理論計(jì)算結(jié)果偏大，特別是應(yīng)力集中及危險(xiǎn)斷面處應(yīng)力并不均勻，較理論值都有所偏大?？梢?，理論計(jì)算得到的結(jié)果較實(shí)際局部受力保守。

6 結(jié)論

根據(jù)上述分析，可以得到以下結(jié)論：

1)結(jié)合整體有限元分析與局部子模型分析，主、副懸掛裝置的受力狀況得到了較為直觀與真實(shí)地顯示，降低了實(shí)際測試采集數(shù)據(jù)的難度。結(jié)果表明：主懸掛局部最大綜合應(yīng)力大于副懸掛局部最大綜合應(yīng)力，且說明在實(shí)際受力過程中主懸掛為主要承擔(dān)件，各處受力較為均勻，設(shè)計(jì)較為合理，達(dá)到了四點(diǎn)懸掛裝置的初始設(shè)計(jì)預(yù)期。通過理論危險(xiǎn)部件的校核表明設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)合理，均在安全范圍之內(nèi)。為其工業(yè)推廣提供了一個(gè)較為可信的理論支撐。

2)整體有限元分析并結(jié)合子模型分析方法能在節(jié)約計(jì)算資源的前提下較全面反映局部關(guān)鍵零部件的應(yīng)力狀態(tài)，具有良好的結(jié)果可視性，可以作為類似工程設(shè)計(jì)及研發(fā)的借鑒與參考。

[1]譚牧田.氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[2]盧曉聰.210t轉(zhuǎn)爐連接裝置的有限元分析及強(qiáng)度校核[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2012,Vol.21(5):40-44.

[3]董元龍.轉(zhuǎn)爐自調(diào)螺栓連接裝置力學(xué)行為研究[碩士論文].武漢：武漢科技大學(xué)，2009.

[4] CN200810047971.6

[5]尚曉江，丘鋒等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用.北京：中國水利水電出版社，2008.

[6] 張宏偉. 轉(zhuǎn)爐下懸掛支撐方式的有限元仿真[碩士論文].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2008：5.

Analysis and Research of Four Point Suspension Device for 300t Converter

Yan Guoping

(WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited，Wuhan 430223)

According to the four point suspension device for 300t converter which was developed independently by WISDRI company′s the research object, the load analysis of main hanging device and vice hanging device wens carried out by the way of finite element analysis and its sub-model method. At the same time, combined with the yield limit of the material, the device dangerous parts stress strength was verified. The results show that the maximum stress of the main suspension device is higher than that of the vice suspension device. It reaches the initial design thought of four point suspension device. What is more, all dangerous parts are loaded in the safe range.

Converter Four point suspension device Sub-model analysis Strength check

嚴(yán)國平，男，1978年出生，畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，博士，主要從事冶金設(shè)備的研發(fā)與分析、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

TF341.1

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.002

2013-08-02)