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  雷麗萍

  （太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西  太原  030027）

  摘要：采用ANSYS有限元軟件對轉(zhuǎn)爐托圈結(jié)構(gòu)進行了分析。首先，利用三維CAD軟件對轉(zhuǎn)爐托圈進行建模；其次，構(gòu)建了托圈有限元模型，在翻轉(zhuǎn)60。工況下施加了約束和載荷；最后，基于ANSYS有限元分析平臺，通過對托圈進行有限元分析，得到托圈的變形及應(yīng)力分布圖，為托圈的優(yōu)化設(shè)計提供方法和依據(jù)。

  關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐托圈；有限元法；結(jié)構(gòu)應(yīng)力

  中圖分類號：TP391.7：TF748.2    文獻標識碼：A

 0  引言

    轉(zhuǎn)爐是用于吹煉鋼的冶金爐，而轉(zhuǎn)爐托圈是轉(zhuǎn)爐非常關(guān)鍵的傳動和承載部件，在實際工作中不僅要承受自重、爐體、爐殼，爐襯、鋼液等靜負荷，而且還承受操作過程所引起的沖擊負荷和由于頻繁啟、制動所產(chǎn)生的動負荷，以及由于轉(zhuǎn)爐爐體、承鋼桶等的熱輻射作用而引起的轉(zhuǎn)爐托圈在軸向、徑向和圓周方向的溫度梯度而產(chǎn)生的熱負荷。為了保證轉(zhuǎn)爐的正常生產(chǎn)，轉(zhuǎn)爐托圈必須具有足夠的強度和剛度。

1  建立托圈的整體模型

    轉(zhuǎn)爐托圈由托圈本體和托圈耳軸組成。托圈本體由外殼、筋板、排渣口、鋼板、出水口、吊耳組成。托圈耳軸是在托圈的兩側(cè)各裝一個耳軸，即傳動側(cè)耳軸和非傳動側(cè)耳軸，用于吊運托圈。托圈耳軸位置一般在托圈高度的中間部位，這樣可使托圈在吊運、澆注過程中保持穩(wěn)定。本文選擇的托圈外殼材料是16Mn，內(nèi)部鋼板選擇Q235，托圈耳軸為35鋼。轉(zhuǎn)爐托圈本體結(jié)構(gòu)較為簡單，但托圈耳軸的設(shè)計有一定的難度。為了增加耳軸傳動能力，將耳軸與托圈本體連接處設(shè)計成實體柱體。傳動側(cè)耳軸的鍵槽是相互呈120。的切向鍵鍵槽，便于傳動。在不影響后續(xù)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，建模時對托圈進行簡化處理：忽略軸端的倒角；忽略托圈上、下蓋板圓角；內(nèi)外腹板內(nèi)部的8個孔距邊緣留有一定尺寸余量；忽略進水孔以及焊縫處的影響，將焊縫處按同材質(zhì)處理。托圈模型如圖1所示。

2轉(zhuǎn)爐托圈結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1  構(gòu)建轉(zhuǎn)爐托圈有限元模型

    將采用三維繪圖軟件Pro/E繪制的托圈三維模型以x-的格式導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中。 經(jīng)過簡化之后的托圈模型并不復(fù)雜，這里單元類型定義為Solid 45，可以滿足有限元分析要求。托圈的材 料為16Mn，各特性參數(shù)如下：彈性模量E=2×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服極限為345 MPa。選用E50的焊條，這種焊條的最小抗拉強度為500 MPa，因此在選用E50焊條的情況下，取接頭處屈服極限和抗拉強度為345 MPa，

    采用三維實體Solid 45對實體模型進行單元劃分，在設(shè)置“Smart Size”的數(shù)值時，值設(shè)置的不易過小，否則會在模型應(yīng)力相對集中部位網(wǎng)格劃分得非常細小，精度相應(yīng)很高；而精度太高，會導(dǎo)致運算速度太慢，故數(shù)值設(shè)置適當(dāng)就可，這里設(shè)置“Smart Size”的值為6。另外考慮到本體和鋼板處有焊接，如按兩個單元來劃分會比較粗糙，對后面的分析會產(chǎn)生較大影響，因此將二者合并為一體，用一個單元來劃分[1] 。在單元劃分時把各個單元邊的長度設(shè)置為0. 03 m，共得到112 389個單元和31 744個節(jié)點。得到有限元模型如圖2所示。

  2.2施加約束

    考慮轉(zhuǎn)爐托圈的實際工況，在轉(zhuǎn)爐托圈的非傳動側(cè)耳軸上表面處采用完全約束，也就是對3個移動自由度和3個旋轉(zhuǎn)自由度都進行約束，主要目的為模擬驅(qū)動力偶的作用。在傳動側(cè)耳軸一側(cè)約束加在鍵槽的兩個表面，大面加y約束，小面加Z約束，其目的也是模擬驅(qū)動力矩的作用。

  2.3施加載荷

    托圈所受外載荷來自爐體、托圈和鋼水的自重。本工況是爐體傾動600，轉(zhuǎn)爐自重160 000 kg，鋼水重140 000 kg。轉(zhuǎn)爐在裝滿鋼水后，托圈除了受到鋼水的重力作用，托圈還受到轉(zhuǎn)爐爐體自重，而托圈的6個耳轂兩兩均勻分布在托圈下蓋板，相鄰兩組耳轂間隔角度為1200，由于轉(zhuǎn)爐是通過6個耳轂與托圈連接的，因此轉(zhuǎn)爐爐體自重應(yīng)該加在6個耳轂的根部內(nèi)表面上，耳轂的矩形面積為0. 037 5m2，則托圈與耳轂接觸面所受壓力P1 =4 877 160 Pa，p2=p3 =7 361 427 Pa。施加完載荷的有限元模型[2] 如圖3所示。

2.4  求解并查看結(jié)果

    有限元分析結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可以看出，托圈最大應(yīng)力為32.3 MPa，最小應(yīng)力為67875 Pa，最大變形量為0.461 mm；最大應(yīng)力發(fā)生在傳動側(cè)耳軸上鍵槽處，最大變形則發(fā)生在托圈前側(cè)中間部位。

3結(jié)論

    以上分析反映了轉(zhuǎn)爐托圈在翻轉(zhuǎn)60。時的應(yīng)力和變形情況，從圖4中可以看出托圈所受最大應(yīng)力為32.3 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在傳動側(cè)耳軸上靠近吊耳的鍵槽處，而轉(zhuǎn)爐托圈所用的材料是16Mn，屬于塑性材料，其屈服強度極限Ó=345 MPa，當(dāng)安全系數(shù)取1..5時，其許用應(yīng)力托圈所受的最大應(yīng)力遠遠小于許用應(yīng)力，表明托圈的承載能力還是有一定的裕量，由此可見，這種結(jié)構(gòu)的托圈，結(jié)構(gòu)合理，能夠較好地滿足實際生產(chǎn)需求及安全生產(chǎn)條件。通過對轉(zhuǎn)爐托圈翻轉(zhuǎn)600工況下的有限元分析[3，得到托圈的變形及應(yīng)力分布圖，基本符合實際情況，為托圈的優(yōu)化設(shè)計提供了方法和依據(jù)。

參考文獻：

[1]劉武，基于萬向聯(lián)軸器的ANSYS有限元分析[J].輕工科技，2012(11)：54-55.

[2]王慶五，左防，胡仁喜．機械設(shè)計高級應(yīng)用實例[M]．第2版．北京：機械工業(yè)出版社，2007．

[3]  陳精一．ANSYS工程分析實例教程[M]．北京：中國鐵道出版社，2007.