陳愛民 陶星辰 李加將

摘要：鑄造起重機是冶金行業(yè)專用工程機械，有著滿載運行時間長，工況復(fù)雜長期受高溫輻射的影響，一旦產(chǎn)生熱應(yīng)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(yīng)力疲勞的研究提供一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：鑄造起重機 熱應(yīng)力 溫度場

0前言

隨著我國冶金工業(yè)的快速發(fā)展，鑄造起重機向著重載、高速和大型方向發(fā)展，這類設(shè)備在特殊工況下所受的應(yīng)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(jù)不完全統(tǒng)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(shè)備存在高風(fēng)險的作業(yè)環(huán)境，一旦發(fā)生事故往往會導(dǎo)致較大的傷亡及經(jīng)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(dǎo)致機構(gòu)及結(jié)構(gòu)件的各類損傷，冶金企業(yè)為保證較高的安全生產(chǎn)要求，會導(dǎo)致過度維修產(chǎn)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(yè)迫切需要解決的課題。因此對鑄造起重機主要受力構(gòu)件的可靠性評價和壽命預(yù)測已成為冶金行業(yè)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(yīng)力影響的過程，希望為鑄造橋式起重機結(jié)構(gòu)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(guān)鍵設(shè)備，用于轉(zhuǎn)爐加料，跨向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺等工藝中。由此可見其工作環(huán)境一般都在高溫、高粉塵及有有害氣體的復(fù)雜惡劣環(huán)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(jié)構(gòu)有主小車、副小車、主梁、大車行走機構(gòu)、吊鉤組、電氣控制五部分組成，通過單小車作業(yè)或者兩小車協(xié)同作業(yè)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(tài)，不間斷運行時間很長，載荷狀態(tài)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(xué)性能與常溫下存在較大的差異。

3）鑄造起重機的結(jié)構(gòu)和機構(gòu)比較復(fù)雜，能同時完成一個起升運動、一個或幾個水平運動，在常規(guī)工況中，存在幾個不同方向的動作同時操作，技術(shù)難度偏大。

4）鑄造起重機在冶金工藝應(yīng)用中，其運行作業(yè)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(shè)備暴露在外的活動的零部件較多，工作環(huán)境惡劣，會造成零部件的積灰，電氣設(shè)備的短路，接觸器的黏連等故障，存在多發(fā)的潛在安全隱患。

6）主要受力構(gòu)件在高溫及沖擊載荷下，極易產(chǎn)生疲勞，造成主梁的應(yīng)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(dǎo)、熱對流及熱福射。

1）熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是物質(zhì)微觀粒子的無序熱運動導(dǎo)致，當結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在一定的溫度梯度時，熱量將會從高溫部位傳到至結(jié)構(gòu)的低溫部位，它在固體、液體、氣體中都可以產(chǎn)生，但只有固體中才會產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，當不同溫度的物體相互接觸碰撞時也會產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。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(xiàn)。

2）熱對流

熱對流是流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，由于熱對流和熱傳導(dǎo)可以同時發(fā)生，所以在流動介質(zhì)中的熱量傳遞是熱傳導(dǎo)和熱對流的綜合作用過程。工程上流體與有溫差的結(jié)構(gòu)接觸時會發(fā)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(chǎn)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(zhì)間進行直接的接觸，也不需要介質(zhì)的換熱。

在鑄造起重機作業(yè)環(huán)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(yīng)力影響最大。根據(jù)實際工況分析可知，在鑄造起重機作業(yè)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(jié)構(gòu)受到底板的熱傳導(dǎo);主梁等結(jié)構(gòu)與環(huán)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(nèi)鑄造起重機各部位的溫度分布的狀態(tài)。溫度場作為標量場，它一般可采用空間坐標與時間的函數(shù)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(xiàn)代設(shè)計理念的融入，計算機性能的迅猛發(fā)展，各種有限元分析軟件在起重機的結(jié)構(gòu)研巧中得到了廣泛地應(yīng)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(fù)雜得多，建立鋼水包溫度場模型時需要根據(jù)實際情況作出些假設(shè)及簡化，根據(jù)鑄造起重機的最長使用工況做了如下假設(shè)：鋼水包在上升過程中的晃動忽略不計;環(huán)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(dǎo)及熱輻射忽略不計。由仿真結(jié)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(nèi)部熱傳遞以熱傳導(dǎo)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(tài)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(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)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(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也將受溫度場的變化而影響。

4 小結(jié)

鑄造起重機的主體結(jié)構(gòu)材料都是鋼材以Q345為主，該材料的物理性能和力學(xué)性能對溫度變化較為敏感，在高溫及常濕的工作環(huán)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(jié)構(gòu)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(yīng)力影響而產(chǎn)生的疲勞損傷的過程提供參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]楊柏山.冶金起重機使用現(xiàn)狀和檢驗應(yīng)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(xiàn)狀和檢驗問題分析[J].中國設(shè)備工程， 2017（03）：75-76.

[3]渠曉剛.鑄造起重機結(jié)構(gòu)鋼Q345B中溫環(huán)境疲勞損傷研究[D]. 蘭州：?蘭州理工大學(xué)， 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(zhì)量工程