基于有限元的鑄造起重機溫度場分析

陳愛民 陶星辰 李加將

摘要：鑄造起重機是冶金行業專用工程機械，有著滿載運行時間長，工況復雜長期受高溫輻射的影響，一旦產生熱應力疲勞，容易造成事故隱患。本文采用Ansys有限元軟件對鑄造起重機的溫度場進行分析，為鑄造起重機受熱應力疲勞的研究提供一定的技術參考。

關鍵詞：鑄造起重機 熱應力 溫度場

0前言

隨著我國冶金工業的快速發展，鑄造起重機向著重載、高速和大型方向發展，這類設備在特殊工況下所受的應力越來越高，工作條件越來越惡劣，疲勞破壞事故層出不窮。據不完全統計近年來冶金鑄造起重機的事故率站起重機事故率的30%以上[1]，同時因為該類設備存在高風險的作業環境，一旦發生事故往往會導致較大的傷亡及經濟損失。這類鑄造起重機一般都承受著極端載荷，以及高溫等特殊工況，不可避免會導致機構及結構件的各類損傷，冶金企業為保證較高的安全生產要求，會導致過度維修產生過高的成本，如何平衡安全和合理的維修成本是冶金企業迫切需要解決的課題。因此對鑄造起重機主要受力構件的可靠性評價和壽命預測已成為冶金行業重要的研究課題。本文通過對鑄造起重機工作特性，及其溫度場分析，研究造成鑄造起重機主梁受熱應力影響的過程，希望為鑄造橋式起重機結構安全評價提供一定的參考。

1 鑄造起重機特性

鑄造起重機是橋式起重機的一個類別，主要用于鋼廠的煉鋼工藝，是不可或缺的關鍵設備，用于轉爐加料，跨向轉爐兌鐵水、鋼水，精煉時將鋼水包吊運至精煉爐上，將鋼水包吊運到連鑄回轉臺等工藝中。由此可見其工作環境一般都在高溫、高粉塵及有有害氣體的復雜惡劣環境中。一般分為雙梁單小車式見圖1，四梁四軌雙小車式，或者特大型鑄造起重機（200t以上）有采用四梁六軌雙小車式，主要結構有主小車、副小車、主梁、大車行走機構、吊鉤組、電氣控制五部分組成，通過單小車作業或者兩小車協同作業完成[2]。

鑄造起重機的工作特性可概括成以下幾點：

1）鑄造起重機相比于普通橋式起重機滿載率高，一般起升載荷都在百噸以上的液態，不間斷運行時間很長，載荷狀態為Q3或Q4，工作級別在A7以上。

2）鑄造起重機的工況惡劣，吊運的鋼水包溫度能高達1760℃，主梁在工作中時刻要遭受高溫的輻射，其主梁的力學性能與常溫下存在較大的差異。

3）鑄造起重機的結構和機構比較復雜，能同時完成一個起升運動、一個或幾個水平運動，在常規工況中，存在幾個不同方向的動作同時操作，技術難度偏大。

4）鑄造起重機在冶金工藝應用中，其運行作業范圍大，一旦造成吊裝事故其造成的后果嚴重，涉及面廣，如2007年的遼寧鐵嶺包脫落事件，共計造成32人死亡，6人重傷[3]。

5）該類設備暴露在外的活動的零部件較多，工作環境惡劣，會造成零部件的積灰，電氣設備的短路，接觸器的黏連等故障，存在多發的潛在安全隱患。

6）主要受力構件在高溫及沖擊載荷下，極易產生疲勞，造成主梁的應力損傷。

2 熱分析理論

熱能的傳遞過程有三種基本形式：熱傳導、熱對流及熱福射。

1）熱傳導

熱傳導是物質微觀粒子的無序熱運動導致，當結構內部存在一定的溫度梯度時，熱量將會從高溫部位傳到至結構的低溫部位，它在固體、液體、氣體中都可以產生，但只有固體中才會產生熱傳導，當不同溫度的物體相互接觸碰撞時也會產生熱傳導。是能量從物體的高溫部分傳至低溫部分，或者從高溫物體傳遞到低溫物體的一種表現。

2）熱對流

熱對流是流體中質點發生相對位移而引起的熱量傳遞過程，由于熱對流和熱傳導可以同時發生，所以在流動介質中的熱量傳遞是熱傳導和熱對流的綜合作用過程。工程上流體與有溫差的結構接觸時會發生熱交換，這個種熱交換通常稱為對流換熱。

3）熱輻射

熱輻射是通過電磁波（或光子流）的方式傳播能量的過程。一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大。熱輻射不需要物質間進行直接的接觸，也不需要介質的換熱。

在鑄造起重機作業環境中，吊運鋼水包的溫度最高通常能達到1760℃，因此鋼水包對鑄造起重機的熱應力影響最大。根據實際工況分析可知，在鑄造起重機作業過程中主要的傳熱途徑有：主梁隔熱板、副梁的迎熱面受到鋼水包的熱輻射;主梁其他結構受到底板的熱傳導;主梁等結構與環境溫度的熱對流，見圖2.

3 鑄造起重機溫度場模擬

鑄造起重機溫度場是指某一時間內鑄造起重機各部位的溫度分布的狀態。溫度場作為標量場，它一般可采用空間坐標與時間的函數來進行描述，在直角坐標系中可表示為：

T=f（x，y，z，t）?............1

式中，x，y，z為空間直角坐標，t為時間。

隨著現代設計理念的融入，計算機性能的迅猛發展，各種有限元分析軟件在起重機的結構研巧中得到了廣泛地應用，本文采用ANSYSWorkbench對鑄造起重機進行溫度場分析。鑄造起重機的操作相比普通橋式起重機要復雜得多，建立鋼水包溫度場模型時需要根據實際情況作出些假設及簡化，根據鑄造起重機的最長使用工況做了如下假設：鋼水包在上升過程中的晃動忽略不計;環境對主梁及鋼水包的熱對流忽略不計;鋼絲繩等部件對主梁及鋼水包的熱傳導及熱輻射忽略不計。由仿真結果可知，在中間位置起升鋼水包時，主梁受到高溫鐵水的熱福射，其主梁內部熱傳遞以熱傳導的方式進行，形成主梁的溫度場，主梁溫度存在分布的差異，主梁下蓋板與鋼水包最近，則溫度最高，被鋼水輻射的熱能越大。鋼水包在上升過程中其溫度場變化為非線性的，鋼水包從20米上升至10米過程中，主梁下蓋板溫度最高處從63.5℃上升至138℃，起重機起升速度越快則主梁溫度變化越大，該溫度場為瞬態溫度場。在鋼水包水平運輸時，鋼水包與主梁的距離不變主梁的溫度也可看做穩態溫度場。在鋼水包卸載時，此時鋼水包與主梁的距離增大，對主梁輻射減少，而主梁本身的溫度不會快速消散，因此該段時間主梁的溫度場也可看做時穩態溫度場。在這幾個階段主梁中間最熱部位與其他部位的溫差也越大，主梁結構的力學性能也將受溫度場的變化而影響。

4 小結

鑄造起重機的主體結構材料都是鋼材以Q345為主，該材料的物理性能和力學性能對溫度變化較為敏感，在高溫及常濕的工作環境中其性能存在較大的差異。本文采用有限元分析軟件對常用的雙梁單小車結構的鑄造起重機的主梁溫度場進行模擬，分析其在起升、水平運行、下降卸載時的溫度場變化，為研究鑄造起重機主梁受熱應力影響而產生的疲勞損傷的過程提供參考依據。

參考文獻：

[1]楊柏山.冶金起重機使用現狀和檢驗應特別重視的幾個問題[J]. 科技傳播，2013，5（20）：115-122.

[2]徐慧策.冶金起重機使用現狀和檢驗問題分析[J].中國設備工程， 2017（03）：75-76.

[3]渠曉剛.鑄造起重機結構鋼Q345B中溫環境疲勞損傷研究[D]. 蘭州：?蘭州理工大學， 2016.

作者信息：陳愛民，出身年月：1985年09月05日，性別：男，職稱：工程師，方向：質量工程