240 t 鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)應力研究

武 剛，郭 嘉，王冬林，齊國權(quán)

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710065;2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721000)

0 前言

鋼包回轉(zhuǎn)臺是連續(xù)鑄鋼起始階段的關鍵設備，具有承上啟下的重要作用。它伸開的回轉(zhuǎn)臂兩端放置鋼水包，作業(yè)時接受鋼水，然后旋轉(zhuǎn)到另一方向澆灌，保證連續(xù)鑄鋼的持續(xù)性，要求具有較高的可靠性與安全性［1］。

國內(nèi)某鋼廠連鑄工程鋼包回轉(zhuǎn)臺單臂承載240t，回轉(zhuǎn)半徑5500 mm，本文利用三維有限元軟件ANSYS 對回轉(zhuǎn)臂進行了有限元分析。

1 回轉(zhuǎn)臂模型的建立

1.1 回轉(zhuǎn)臂幾何模型

鋼包回轉(zhuǎn)臺安裝在連鑄車間煉鋼跨和連鑄跨之間的澆鑄平臺上，是連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)的重要設備，由一組套筒與鋼梁頂板、底板、筋板等構(gòu)成，屬于大型框架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊、復雜，鋼板形狀不規(guī)則。回轉(zhuǎn)臂部件結(jié)構(gòu)特點為:回轉(zhuǎn)臂是鋼板焊接結(jié)構(gòu)件，要求在滿足承載能力的條件下，必須對其重量進行嚴格的限制，因此各個部件的結(jié)構(gòu)特點是薄壁、空腔、多加強筋。

回轉(zhuǎn)臂作為鋼包回轉(zhuǎn)臺的主要承載部件，由于其結(jié)構(gòu)的復雜，又要求具有較高的可靠性和安全性，因此本文完全根據(jù)圖紙，按照回轉(zhuǎn)臂實際結(jié)構(gòu)使用三維設計軟件Pro/ENGNEER 進行精確建模，只是對不影響結(jié)果的少數(shù)特征進行簡化，提高有限元運算速度。再利用通用的IGES 格式實體文件格式導入ANSYS 中生成物理模型。由于ANSYS 可以同Pro/ENGNEER 進行無縫連接，而Pro/ENGNEER 的幾何建模功能無疑將比ANSYS的前處理器要強大很多。在ANSYS環(huán)境中經(jīng)過系統(tǒng)配置后，就可以將該模型導入進ANSYS環(huán)境中做進一步的分析。圖1為回轉(zhuǎn)臂幾何模型。

圖1 回轉(zhuǎn)臂幾何模型Fig.1 Geometric model of revolving arm

1.2 回轉(zhuǎn)臂載荷模型

本文所研究的240t 鋼包回轉(zhuǎn)臺的兩個回轉(zhuǎn)臂可以單獨升降，采用液壓驅(qū)動。兩個回轉(zhuǎn)臂支撐在回轉(zhuǎn)框架上一起旋轉(zhuǎn)，其升降機構(gòu)為一四連桿機構(gòu)。升降系統(tǒng)的機構(gòu)簡圖如圖2 所示(升降系統(tǒng)對稱鋼包回轉(zhuǎn)臺，本圖只畫出單側(cè)升降系統(tǒng))，鋼包回轉(zhuǎn)臺升降系統(tǒng)包括回轉(zhuǎn)臂1、頂升液壓缸2、連桿3 和下支撐桿4。

圖2 載荷模型示意圖Fig.2 Diagram of load model

本文主要研究回轉(zhuǎn)臂在接受鋼包時的強度和剛度(因為此時回轉(zhuǎn)臂受沖擊載荷，最為危險)，整個四桿機構(gòu)受到的外力為鋼包(滿包重量)載荷以及液壓缸的推力?；剞D(zhuǎn)臂接受鋼包時要求回轉(zhuǎn)臂(桿1)在固定鉸支座A 處無線位移，在鉸點C 處承受動載荷Fpd，B 處受到油缸推力t，連桿(桿3)對回轉(zhuǎn)臂的力與240 t 載荷相比可忽略不計。

對回轉(zhuǎn)臂(桿1)受力分析:在回轉(zhuǎn)臂接受鋼包時，鋼包作用在C 點的沖擊力Fpd對A 點產(chǎn)生的力矩與頂升液壓缸推力T 對A 點產(chǎn)生的力矩平衡?？紤]回轉(zhuǎn)臂自重，但不考慮其它影響因素(熱應力等)。

在鋼包升降的過程中，由液壓缸施加推力T 于B 處，此時回轉(zhuǎn)臂相當于杠桿結(jié)構(gòu)，以A 點為支點，使得C 點完成升降動作，其中下支撐桿(桿4)影響連桿(桿3)的位移軌跡，從而使鋼包豎直起落。整個四桿機構(gòu)受到的外力為鋼包(滿包重量)載荷以及液壓缸的推力。回轉(zhuǎn)臂接受鋼包時要求回轉(zhuǎn)臂(桿1)在固定鉸支座A 處無線位移，在鉸點C 處承受載荷，B 處受到油缸推力t。

1.3 回轉(zhuǎn)臂有限元模型

本文研究的回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)大多數(shù)鋼板焊接件為Q345－ A 合金低碳鋼，部分采用16MnR 低碳合金鋼。16MnR 是鍋爐壓力容器常用鋼材，熱軋或正火。屬低合金鋼，含Mn 量較低。性能與20G(412－ 540)近似，伸長率為19%～21%。

將回轉(zhuǎn)臂幾何模型導入ANSYS 中，輸入材料參數(shù)，采用自由劃分網(wǎng)格的方法，建立有限元模型，回轉(zhuǎn)臂劃分網(wǎng)格共產(chǎn)生節(jié)點18701，單元58411 個，單元劃分示意圖如圖3 所示。

圖3 回轉(zhuǎn)臂網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh for revolving arm model

根據(jù)前文所述的載荷模型分析計算載荷，油缸推力T 和載荷F 分別以壓強的形式施加在鉸支孔半圓孔處，回轉(zhuǎn)臂接受鋼包受到的沖擊載荷，此時回轉(zhuǎn)臂受力最大，也最危險，設定動載荷系數(shù)為1.5［2］?？紤]自重，Z 向施加重力載荷;對A 處的鉸支孔施加XYZ 方向的全約束。對B 處施加Z 方向的位移約束。

2 回轉(zhuǎn)臂強度分析

2.1 有限元計算結(jié)果

對有限元模型設置完畢后，運算求解，得到回轉(zhuǎn)臂第一主應力等值線圖如(圖4)，最大第一主應力。經(jīng)過運算求解得到回轉(zhuǎn)臂Von－mises 應力等值線圖如圖5 所示，最大Von－mises 應力。

經(jīng)過運算求解得到回轉(zhuǎn)臂變形等值線圖，如圖6 所示，回轉(zhuǎn)臂最大形變量為16.44 mm。

2.2 回轉(zhuǎn)臂強度、剛度校核

本文的研究對象主要是鋼板焊接結(jié)構(gòu)，所采用的鋼板主要是Q345－A 和16MnR 兩種低碳合金鋼，其抗拉強度為470～630 MPa，不同鋼板厚度規(guī)格的屈服極限見表1。

表1 材料屈服極限Tab.1 Mechanical properties of material

對于現(xiàn)行的鋼包回轉(zhuǎn)臺強度設計及安全系數(shù)的確定，大多采用《板坯連鑄機設計與計算》中的設計標準，實際上也是來源于起重機標準中所給定的材料的判定準則，在沖擊系數(shù)=2 時，進行計算和校核［3］。但是，應該注意到，該準則都是對利用一般材料力學計算方法所得到的結(jié)果——截面平均應力進行評定的。而有限元中得到的最大應力是局部的應力集中，故首先應該明確兩個概念［4］:

均勻應力區(qū):在較大的面積內(nèi)，應力幾乎相等的區(qū)域，屈服應力的出現(xiàn)將引起結(jié)構(gòu)的永久變形;應力集中區(qū):該區(qū)域內(nèi)屈服應力的出現(xiàn)不會引起結(jié)構(gòu)的永久變形，但會影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

根據(jù)國內(nèi)起重機標準文獻中的介紹［5，6］，以及對幾個鋼包回轉(zhuǎn)臺詳細計算分析的基礎上對局部應力與應力集中測試，分別給出了不同的安全系數(shù)。本文對于均勻應力區(qū)，n=1.5;對于應力集中區(qū)，n=1.1。

表2 回轉(zhuǎn)臂校核結(jié)果Tab.2 Mechanical properties of material

由于回轉(zhuǎn)臂外伸達到4 m 左右，16 mm 左右的變形是在允許范圍之內(nèi)的，因此剛度符合。

通過對回轉(zhuǎn)臂的校核，此結(jié)構(gòu)基本滿足設計要求，因為沖擊載荷的不確定性，以及在實際操作中的操作規(guī)范，集中應力區(qū)的最大應力是可以控制的。

由有限元計算得到的應力等值線圖可以看出，該結(jié)構(gòu)的應力分布呈現(xiàn)較大的落差，即某些關鍵部位應力非常大，但是也有部分區(qū)域呈現(xiàn)出了過低的應力，這樣的不均衡一方面關鍵部位容易出現(xiàn)問題，另一方面又在強度儲備過高的地方浪費了材料。針對以上問題，本文將對回轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)做進一步改進。

3 回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)改進

3.1 回轉(zhuǎn)臂應力集中部位的結(jié)構(gòu)改進

經(jīng)過前文分析，總結(jié)回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)存在如下問題，如圖7 所示。

圖7 回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)缺陷圖Fig.7 Structural weaknesses of revolving arm

Ⅰ處:出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，抗拉強度和屈服強度雖然都滿足要求，但應該改善應力集中，進一步提高局部安全系數(shù)。

Ⅱ處:此處為回轉(zhuǎn)臂和回轉(zhuǎn)臺筒體的鉸接處，為尺寸最小的一個鉸接孔，該處的應力已經(jīng)超過了材料的屈服極限，急需改進結(jié)構(gòu)。

對I 處應力集中部位進行結(jié)構(gòu)改進，根據(jù)原本設計圖紙，對回轉(zhuǎn)臂前端應力集中部位做R=150 mm 的圓角處理，如圖8 所示，將鋼板7 外形做圓角處理，其余鋼板依次在下料焊接過程中保持圓角。原來的5、6 號鋼板是采用對焊的方法加工，現(xiàn)在也可以采用折彎的方式直接做圓角處理。

圖8 Ⅰ處結(jié)構(gòu)改進Fig.8 Structural improvement at stress concentration section of revolving arm

Ⅱ處應力集中出現(xiàn)在尺寸最小的鉸支孔處，該處鋼板厚度為90 mm，孔徑為245 mm 處，如圖8 所示，將鋼板厚度增加至100 mm，將兩個鉸支孔的直徑擴大為D1=315 mm，D2=305 mm。將改進后的模型利用前面講述的方法用ANSYS 計算，驗證改進方案的正確性。

表3 改進前后性能對比Tab.3 Comparison of mechanical properties before and after improvement

3.2 回轉(zhuǎn)臂強度儲備過高區(qū)域結(jié)構(gòu)的改進

前文提到回轉(zhuǎn)臂局部出現(xiàn)了強度儲備過高，浪費材料。針對這個問題，本文對回轉(zhuǎn)臂做以下結(jié)構(gòu)改進:

(1)將回轉(zhuǎn)臂前端和后端鋼板厚度變小;

(2)中間部位為回轉(zhuǎn)臂和主筒體連接處，也是應力最大的部位，結(jié)構(gòu)不做改進;

(3)厚度改變只針對外部，不涉及內(nèi)部的加強筋。

本文以5 mm為區(qū)間，逐步降低厚度，利用有限元模擬的辦法，觀察應力變化，改進結(jié)構(gòu)。經(jīng)過計算校核，回轉(zhuǎn)臂前端鋼板厚度降至30 mm，后端降至25 mm，回轉(zhuǎn)臂符合強度要求，應力分布趨于均勻，結(jié)構(gòu)合理。通過PRO/E 軟件計算模型質(zhì)量，回轉(zhuǎn)臂質(zhì)量由原來的24843 kg 下降為21187 kg，降低656 kg，降幅為4%。

4 結(jié)論

(1)本文完全按照回轉(zhuǎn)臂實際結(jié)構(gòu)建立模型。回轉(zhuǎn)臂是主要的承重部件，其安全性能非常重要，關乎到企業(yè)的效益以及人身安全，所以本文建議在回轉(zhuǎn)臂分析過程中模型的建立一定要按照原貌;

(2)利用ANSYS 軟件對回轉(zhuǎn)臂進行有限元分析，進行強度、剛度分析，并找到回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)缺陷為應力集中和部分區(qū)域強度儲備過大;

(3)針對應力集中區(qū)應力過大的情況，本文對結(jié)構(gòu)作出了兩點改進:首先將回轉(zhuǎn)臂前端應力集中部位做圓角處理，其次將鉸支孔處的孔徑增大和鋼板厚度增厚。改進后的結(jié)構(gòu)應力下降了25%左右。針對強度儲備大的地方，鋼板厚度減薄，回轉(zhuǎn)臂重量下降14%。

本文所研究的方法一方面解決了鋼廠的實際問題，另一方面也對回轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)的設計和研究提供了理論指導。

［1］陶金明.鋼包及鋼包回轉(zhuǎn)臺［J］.冶金設備，1992，(5):35－36.

［2］李慧劍，譚文峰，唐慶遠，等.連桿式鋼包回轉(zhuǎn)臺動載荷特性研究［J］.鋼鐵，1996，(10).

［3］劉明延，李平，欒興家.板坯連鑄機設計與計算［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1992.

［4］李富帥.鋼包回轉(zhuǎn)臺強度計算中許用應力安全系數(shù)的確定［J］.連鑄，2007，(3):18－20.

［5］塔式起重機標準.中華人民共和國標準［S］.GB/T9462－1999.

［6］塔式起重機性能實驗.中華人民共和國標準［S］.GB/T5031－94.