鋼包回轉臺回轉軸承三維機械應力和變形分析

戴 冕

（馬鋼集團設計研究院有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000）

回轉支承是鋼包回轉臺傳遞軸向載荷、徑向載荷和傾翻力矩的重要部件，回轉支承內圈連接下筒體上法蘭，外圈連接上上筒體下法蘭，回轉臺上下兩半部分能夠回轉運動，以完成接受鋼水包回轉澆注的作業要求，三排滾柱式回轉支承是起重機的重要承載部件，承受了軸向載荷、徑向載荷和沖擊載荷等，且負荷大，轉向頻繁，應力和變形情況分布十分復雜。

1 應力分析

根據二維圖紙進行三維建模后，對模型進行離散，選用8 節點實體單元進行精細的手動網格劃分，軸承內外接觸面則選用8 點接觸單元，應用拉格朗日算法計算接觸。由于在實際生產中鋼包回轉臺工況較多，受力情況復雜，文章選取鋼包回轉臺最危險工況，即一邊重包一邊空載，進行加載計算。

圖1 為回轉軸承mises 應力場云圖，由計算結果可知，mises 應力成片狀分布，內外圈外部應力水平較低，內外圈接觸處mises 應力達到最大值191MPa。圖5 為回轉軸承鉛垂方向應力場云圖，有計算結果可知，內外圈外部應力水平基本相同，內外圈接觸處達到最大應力值192 MPa。圖2 為回轉軸承合成位移場云圖。由結果可知各位移場大體上呈對稱分布。

圖1 mises 應力場云圖

為了描述關鍵部位應力的變化，選取回轉軸承外圈外沿上周，接觸處外沿上周和內沿上周，回轉軸承內圈接觸處外沿下周，內沿上周和下周進行取值6 點進行描繪應力曲線。

圖2 合成位移場云圖

圖3 為1 點周向應力曲線，取回轉軸承俯視圖y 軸方向最大值處為零點，方向為順時針方向。1 點軸向應力曲線的有兩個高應力峰值區和兩個低應力低谷區，且在該計算工況下，外圈外沿上周的應力分布基本上是沿回轉軸承俯視圖y 軸對稱的。圖4、圖5 為回轉軸承外圈接觸處外沿上周和內沿上周周向應力曲線，取回轉軸承俯視圖y 軸方向最大值處為零點，方向為順時針方向。由這兩處周向應力的曲線可知，左右半圈應力分布趨勢相同，呈正旋曲線分布，但右半圈應力峰值明顯高區左半圈應力峰值。圖6 為回轉軸承內圈接觸處外沿下周周向應力曲線，取回轉軸承俯視圖y 軸方向最大值處為零點，方向為順時針方向。有軸向應力曲線可以看出，最大應力發生在左半圈中間處，左半圈應力水平較低。圖7 為回轉軸承內圈內沿上周周向應力曲線，取回轉軸承俯視圖y 軸方向最大值處為零點，方向為順時針方向。5 點軸向應力曲線的三個峰值對應于外圈外沿上周的三個個高應力區，其中兩個位于右半圈，一個位于左半圈，左半圈應力曲線成正弦曲線分布。圖8 為回轉軸承內圈內沿下周周向應力曲線，取回轉軸承俯視圖y 軸方向最大值處為零點，方向為順時針方向。應力震蕩明顯，說明應力變化復雜，應力曲線出現兩個低應力區兩個高應力區，且高應力區發生在零點及其對稱點位置附近，低應力區發生在左右半圈的中間位置。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

2 結 語

從150 噸鋼包回轉臺回轉軸承的有限元計算結果可以看出，傳統的公式計算是很難以精確的反應出鋼包回轉臺回轉軸承的應力應變分布情況的，采用三維真實建模，采用幾何非線性和接觸的ANSYS 有限元軟件計算可以得到可靠的結果。從應力應變云圖可以看出軸向載荷對鋼包回轉臺回轉支承的影響較大，徑向載荷引起的應變較小。