LF爐爐蓋升降立柱有限元分析

張 琨，李東愛，馮 清，張 鋒

(中鋼集團西安重機有限公司，陜西 西安 710210)

0 前言

某鋼廠日常生產的例行維護檢查中發現，300 tLF爐升降立柱的底部局部鋼板發生開裂。經分析得知，該部位承受爐蓋往復運行引起的交變載荷作用。根據疲勞理論，零件或部件在受到交變載荷的反復作用，在交變應力尚未達到靜強度設計的許用應力情況下會在零件的局部位置產生疲勞裂紋并擴展，最后發生突然斷裂。疲勞強度越低，越容易導致疲勞破壞的產生。

應力強度和應力集中是影響疲勞強度的兩大關鍵因素。在爐蓋重力的作用下，立柱底部開裂區域受到拉應力的作用，而拉應力和疲勞極限成反比關系，拉應力越大，疲勞極限越小，越容易出現疲勞破壞。疲勞裂紋最先出現在應力集中部位。應力集中導致該部位實際應力遠大于名義應力，使該處產生疲勞裂紋，最終導致零件失效或破壞。

本文通過靜力分析的方法，研究了疲勞斷裂處的應力水平和應力集中情況，并通過結構優化，有效減小立柱底部的應力水平，緩解應力集中現象。

1 LF爐爐蓋升降裝置

LF爐升降立柱的底部局部鋼板發生開裂如圖1所示。如圖2所示為LF爐爐蓋升降裝置由爐蓋，提升臂，滾輪箱，升降立柱組成。爐蓋升降立柱整體支撐托舉LF爐包蓋，其中LF爐爐蓋升降立柱上的滾輪箱夾持住同LF爐包蓋相連的提升臂，并由LF爐爐蓋升降立柱內置的液壓缸帶動LF爐包蓋上下行走。LF爐爐蓋升降裝置中爐蓋的受力為單臂懸梁結構，爐蓋重力將以力矩的形式作用于升降立柱上。由立柱的力與力臂的關系可知當爐蓋升到立柱的極限高度的時刻，立柱所受力矩將達到最大值。

圖1 升降立柱底部

圖2 LF爐升降立柱運行機構簡圖

2 有限元分析

300 tLF爐平均每爐的生產時間約為40 min，升降水冷爐蓋時間約為1 min。采用ANSYS Workbench Static Structural模塊對該設備進行靜力學分析。

2.1 模型的建立及簡化

通過Solidworks2011建立爐蓋升降立柱三維模型，并導入ANSYS Workbench中。立柱主體材料為Q345，局部筋板材料材料為Q235，其物理及機械性能參數如表1所示。

表1 性能參數

使用ANSYS Meshing模塊對實體模型進行網格劃分，如圖3所示。通過網格敏感性分析，對立柱底部區域使用7.5 mm的網格進行細化，其余部分采用網格自動化分法。網格類型使用10節點高階四面體單元，網格數量為463 849，節點數量為109 707。

圖3 爐蓋升降立柱三維模型網格劃分

根據升降立柱的受力情況，采用遠端點的設置方法，簡化模型。如圖4所示，首先將立柱切開分為三部分，主要是將受力面與其他面分開。其次對立柱底部施加固定約束A，約束X、Y、Z三個方向自由度；并將爐蓋重力形成的重心點設為遠端點B，爐蓋重心距離立柱受力面4 m，爐蓋自重為245 kN，并將自身重力加載在此點上。最后設置受力面，將受力面設置于切開的立柱面上，作用于立柱的滾輪滑動面上，即圖4中間區域。

圖4 模型整體約束和受力

2.2 結果分析

對模型進行求解，得到斷裂區域應力分布圖，如圖5所示。局部區域最大應力為204.64 MPa，發生在筋板和立柱滾輪滑動面的交界面處。

取最大應力節點及周圍的6個節點的應力值，如圖6所示。周圍節點的最大應力為158.88 MPa，與最大應力的應力差百分比為22.35%，最小應力為16.20 MPa，與最大應力的應力差百分比為92.08%，存在明顯的應力集中現象，容易引發疲勞裂紋的產生。對比該區域和現場產生裂紋的區域，二者重合。

圖5 模型局部等效應力分布圖

圖6 周圍節點應力圖

3 升降立柱的優化設計

3.1 優化方案

由于立柱的局部應力過大，并且應力集中現象明顯，所以對立柱進行優化設計。通過以下方法對立柱進行加強。

(1)增加筋板數量，將原有的兩道筋板增加為四道筋板，提高局部區域的平均抗拉強度。

(2)在筋板和立柱滾輪滑動面的連接部位增加工藝圓角，降低應力集中情況。

3.2 優化后有限元分析

優化后立柱的整體應力分布如圖7所示。從計算結果可以看出，優化后危險點的位置發生了變化，優化后的最大應力從原來的204.64 MPa降到了153.98 MPa。

取最大應力節點及周圍的6個節點的應力值，如圖8所示。周圍節點的最大應力為143.81 MPa，與最大應力的應力差百分比為6.60%，最小應力為120.45 MPa，與最大應力的應差百分比為21.78%。優化后，最大應力降低，并且周圍應力分布較均勻，應力集中現象明顯減輕。

圖7 優化后的局部應力分布

圖8 周圍節點應力圖

4 結束語

通過Workbench對升降立柱進行優化，在維持原有設備的基礎上，降低了局部應力水平，減輕了應力集中現象，有效降低了設備產生疲勞裂紋和斷裂的可能性。

按照優化方案對鋼廠的LF爐爐蓋升降立柱進行了改造，補焊了兩塊筋板。重新生產制造的立柱按照此方案進行生產，目前該立柱已投入生產三年多，相關生產制造良好，未出現任何問題。