干熄焦焦罐車(chē)提升環(huán)梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析
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宮文龍
（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）
摘要：以干熄焦焦罐車(chē)大型提升環(huán)梁為設(shè)計(jì)實(shí)例，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和有限元分析方法對(duì)其進(jìn)行了分析計(jì)算，探索提升環(huán)梁設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，‘以及提升環(huán)梁工作時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與應(yīng)力分布規(guī)律的關(guān)系，旨在為提升環(huán)梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方法和依據(jù)，使其能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：焦罐車(chē)；提升環(huán)梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.7：TQ520.5
0 引言
干熄焦是焦化廠節(jié)能減排的重要措施，也是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)能源綜合利用的有效手段。隨著國(guó)內(nèi)大型搗固焦?fàn)t日益增多，與搗固焦?fàn)t配套的干熄焦項(xiàng)目，尤其是配合7.6 m以上搗固焦?fàn)t、處理能力為150 t/h～210 t/h的干熄焦焦罐車(chē)設(shè)計(jì)成為新的課題。
提升環(huán)梁連接著焦罐和提升機(jī)，是焦罐車(chē)的關(guān)鍵傳力部件。在干熄焦作業(yè)過(guò)程中，提升環(huán)梁常常受到偏載荷的反復(fù)作用，一旦出現(xiàn)故障就可能導(dǎo)致高溫焦罐墜落，造成重大人員傷亡或財(cái)產(chǎn)損失。提升環(huán)梁作為干熄焦焦罐車(chē)的重要組成部件，其彎矩的分配和各構(gòu)件的強(qiáng)度直接決定著焦罐車(chē)的提升性能、安全性和可靠性。隨著市場(chǎng)對(duì)大型焦罐車(chē)的性能和品質(zhì)要求的提高，展開(kāi)提升環(huán)梁在焦罐車(chē)中的應(yīng)用研究具有重要意義。
1 提升環(huán)梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需解決的問(wèn)題
提升環(huán)梁的安全性需要正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合理的選材、適宜的制造方法來(lái)保證，但由于提升環(huán)梁的外形寬度尺寸受到土建條件及配合設(shè)備的約束，因此結(jié)構(gòu)尺寸受到限制。觀察失效件并分析其使用工況，提升環(huán)梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需解決的問(wèn)題是：①由于六角環(huán)梁的提升吊耳的跨距大，在載荷作用下發(fā)生疲勞破壞，會(huì)產(chǎn)生上翹；②提升吊耳是整個(gè)焦罐的起吊點(diǎn)，吊耳根部必須牢固；③旋轉(zhuǎn)臂擺動(dòng)受卡阻，容易引起疲勞破壞；④水平托軸為懸臂形式，抗彎承載能力要求高。根據(jù)上述要求，本文設(shè)計(jì)了新的提升環(huán)梁。
2提升環(huán)梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖1為提升環(huán)梁的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。本文設(shè)計(jì)的提升環(huán)梁與原來(lái)的普通提升環(huán)梁外部形狀相似，但結(jié)構(gòu)上變化很大，在滿足土建條件和其他約束的前提下，抓住問(wèn)題的關(guān)鍵因素，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施：
(1)六角環(huán)梁采用變截面箱型梁結(jié)構(gòu)，呈中心對(duì)稱(chēng)布置�？紤]到提升環(huán)梁的結(jié)構(gòu)自身受力和力的傳遞，要求六角環(huán)梁有足夠的強(qiáng)度和剛度，從設(shè)計(jì)和制造兩方面考慮，適當(dāng)增加了環(huán)梁高度，以提高整體剛度和強(qiáng)度，減少變形；從工藝性考慮，采用先兩側(cè)后中間方式的裝配工藝，這樣，既保證了焊接強(qiáng)度，又減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝難度。
(2)提升吊耳是用來(lái)起吊焦罐的，焦罐容納高溫焦炭。從高空、高溫作業(yè)生產(chǎn)安全性考慮，要求耳板的板厚適中，且無(wú)缺陷，同時(shí)增大耳板根部寬度，從可焊性和焊縫的有效長(zhǎng)度上保證提升吊耳的連接強(qiáng)度。
(3)旋轉(zhuǎn)臂成對(duì)鉸接在六角環(huán)梁兩側(cè)。在卸焦過(guò)程中，隨著兩臂體之間的夾角不斷變大，通過(guò)旋轉(zhuǎn)臂聯(lián)動(dòng)作用，底閘門(mén)呈緩慢打開(kāi)狀態(tài)，便于焦罐卸焦。通常，底閘門(mén)打開(kāi)角度大于焦炭運(yùn)動(dòng)安息角(350)，在提升過(guò)程中，兩臂體之間的夾角最小，即焦罐底閘門(mén)呈關(guān)閉狀態(tài)，考慮到工況惡劣，將旋轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)為H型梁結(jié)構(gòu)，增加自身剛度。為防止旋轉(zhuǎn)臂下部疲勞破壞，在其外側(cè)設(shè)擋輥。在旋轉(zhuǎn)臂上部鉸接處優(yōu)先選用承載大、耐高溫優(yōu)質(zhì)軸承，減少各聯(lián)動(dòng)件的阻力。
(4)水平托軸為懸臂形結(jié)構(gòu)，用來(lái)支撐整個(gè)焦罐，為增大其抗彎承載能力，將水平托軸設(shè)計(jì)為階梯軸，根部設(shè)加強(qiáng)筋。
3提升環(huán)梁的有限元分析
3.1有限元模型的建立
首先利用三維軟件UG對(duì)提升環(huán)梁進(jìn)行建模，然后再將UG模型導(dǎo)入到Nastran中對(duì)提升環(huán)梁的模型進(jìn)行前處理。根據(jù)該裝置的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)特性，對(duì)其1／2實(shí)體模型進(jìn)行力學(xué)等效簡(jiǎn)化處理，選用有限元分析程序NX Nastran 8.5中Ctetra 10節(jié)點(diǎn)4面體單元，建立1／2對(duì)稱(chēng)有限元模型，如圖2所示。其單元總數(shù)為137 681，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為136 407。
3.2提升環(huán)梁約束和載荷
結(jié)合實(shí)際工況，確定焦罐提升環(huán)梁邊界約束條件如下：使用接觸算法，定義焦罐底門(mén)與水平托輥、提升銷(xiāo)軸與模擬吊鉤、旋轉(zhuǎn)臂軸承與鉸接銷(xiāo)軸以及旋轉(zhuǎn)臂與擋輥之間均相互接觸；焦罐提升梁以自重方式考慮，在下部4個(gè)水平托輥處，以軸承力形式均勻施加；在提升吊耳處，按提升機(jī)載荷為正常載荷的1. 25倍施加。具體邊界條件約束情況如圖3所示。
3.3結(jié)果分析
通過(guò)Nastran對(duì)提升環(huán)梁進(jìn)行有限元靜力分析。提升環(huán)梁工作時(shí)，影響其性能的主要指標(biāo)是其的強(qiáng)度和變形。由于提升環(huán)梁體積大，在載荷作用下各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，所以將應(yīng)力作為強(qiáng)度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)材料力學(xué)中的第四強(qiáng)度理論即畸變能密度理論，其最大等效應(yīng)力( Von-Mises)為：
根據(jù)提升環(huán)梁性能的影響情況，我們?nèi)∥灰圃茍D和等效應(yīng)力云圖來(lái)進(jìn)行研究，計(jì)算出的提升環(huán)梁位移分布云圖和等效應(yīng)力云圖如圖4所示。
由圖4(a)可知，提升環(huán)梁的位移變形量從底部開(kāi)始依次沿著y向逐漸變大，水平托輥軸處的位移變形量較大，最大變形發(fā)生在吊耳區(qū)附近，最大位移約為49. 58 mm。由圖4(b)可知，提升環(huán)梁的水平托輥伸出軸端的等效應(yīng)力為125.1 M Pa，吊耳銷(xiāo)孔的等效應(yīng)力最大，其值為179.1 M Pa。
3.4優(yōu)化分析
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提升環(huán)梁的應(yīng)力集中區(qū)域的結(jié)構(gòu)還有改進(jìn)的空間。經(jīng)過(guò)慎重考慮，重新對(duì)提升環(huán)梁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具體措施如下：①六角環(huán)梁改為整體焊接、變截面和變板厚組合式高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)；②旋轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)為等截面箱型梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)加大蓋板厚度，減小腹板的厚度。
對(duì)優(yōu)化后的提升環(huán)梁進(jìn)行有限元分析，得到了優(yōu)化后提升環(huán)梁的位移分布云圖和等效應(yīng)力云圖，如圖5所示。
由圖5 (a)可知，優(yōu)化后提升環(huán)梁的位移變形量從底部開(kāi)始沿著y向逐漸變大，水平托輥軸處的位移變形量較大，最大變形發(fā)生在吊耳附近，最大位移約為38. 47 mm。由圖5(b)可知，提升環(huán)梁的水平托輥伸出軸端的等效應(yīng)力為100.2 M Pa，吊耳銷(xiāo)孔的等效應(yīng)力最大，其值為146.2 M Pa。
3.5分析結(jié)果
從以上計(jì)算結(jié)果來(lái)看：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在載荷作用下，焦罐提升環(huán)梁最大位移約降低了22. 4%，等效應(yīng)力峰值降低了18. 3%，下部水平托輥處最大等效應(yīng)力降低了19. 9%。顯而易見(jiàn)，優(yōu)化后最大位移和等效應(yīng)力數(shù)值下降幅度大，提升環(huán)梁的強(qiáng)度顯著提高。提升環(huán)梁焊接結(jié)構(gòu)件所用的材料是塑性材料Q345B，其屈服極限是345 M Pa，當(dāng)安全系數(shù)取1.5倍時(shí)，提升環(huán)梁所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，表明提升環(huán)梁的承載能力還是有一定的裕量，由此可見(jiàn)，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后較為合理，能夠較好地滿足實(shí)際生產(chǎn)需求及安全生產(chǎn)條件。通過(guò)分析，得到的提升環(huán)梁的變形及應(yīng)力分布圖基本符合實(shí)際情況，為提升環(huán)梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了方法和依據(jù)。
4結(jié)束語(yǔ)
目前，該提升環(huán)梁已經(jīng)在某焦化廠現(xiàn)場(chǎng)正式投入使用，提升環(huán)梁未見(jiàn)變形和傾斜，加載與卸載過(guò)程無(wú)明顯沖擊，整個(gè)焦罐運(yùn)行平穩(wěn)。經(jīng)理論和實(shí)踐證明，運(yùn)用有限單元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，不但優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量，而且還提高了提升環(huán)梁的安全性、連續(xù)性、穩(wěn)定性，達(dá)到了我們的設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品質(zhì)量都優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
