基于有限元分析的鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

杜守虎

(萊鋼集團(tuán)設(shè)備檢修中心，山東萊蕪 271104)

0 引言

大包回轉(zhuǎn)臺(tái)是現(xiàn)代連鑄技術(shù)應(yīng)用最普遍的一種鋼包承載澆注設(shè)備，通常設(shè)計(jì)位于澆注跨與鋼水接收跨之間，具有設(shè)備重量大，安裝更換施工困難等特點(diǎn)。鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)是連鑄機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，起著銜接上下兩道工序側(cè)重要作用，它主要由底座、回轉(zhuǎn)臂、驅(qū)動(dòng)裝置、回轉(zhuǎn)支撐、事故驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及錨固件六部分組成。

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)受力環(huán)境復(fù)雜，其受力主要特點(diǎn)主要包括:重載，通常鋼包滿載鋼水時(shí)重量多達(dá)幾十噸到幾百噸;偏載，其運(yùn)行工況復(fù)雜，在不同階段可以分為以下幾種情況，同時(shí)滿載、一邊滿載一邊空鋼包、一邊滿載一邊無(wú)鋼包、兩邊都無(wú)、一邊空鋼包一邊無(wú);同時(shí)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)承受沖擊力較大，當(dāng)鋼包安裝過(guò)程中對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生巨大沖擊;此外鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)長(zhǎng)期處于熱輻射環(huán)境。

某鋼廠1998年引進(jìn)Daniel 150×150方坯連鑄機(jī)設(shè)備，原設(shè)計(jì)為40 t，2003年進(jìn)行擴(kuò)容改造為45～50 t，對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后2013年鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)出現(xiàn)異響，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺(tái)基礎(chǔ)出現(xiàn)環(huán)形裂紋，多次進(jìn)行焊接修復(fù)，均短期使用再次損壞，針對(duì)該問(wèn)題，選擇有限元對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)受力情況進(jìn)行系統(tǒng)分析，為鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

1 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及受力分析

1．1 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1為某鋼廠鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示為鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)支撐座結(jié)構(gòu)。

圖1 某鋼廠鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖2 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)支撐連接座

該鋼廠鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)主要由回轉(zhuǎn)臂、回轉(zhuǎn)支座、回轉(zhuǎn)支撐軸承、回轉(zhuǎn)連接支座、傳動(dòng)裝置及附件組成，與傳統(tǒng)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)相比，該回轉(zhuǎn)臺(tái)增加一回轉(zhuǎn)連接支座，主要為擴(kuò)容改造后，鋼包底部加高，為防止回轉(zhuǎn)過(guò)程鋼包與中間包基礎(chǔ)干涉，在回轉(zhuǎn)支撐與回轉(zhuǎn)支座增加設(shè)計(jì)一回轉(zhuǎn)連接支座。

支撐座主要包括上下法蘭，上下法蘭厚度為60 mm，同時(shí)在圓周方向設(shè)計(jì)20個(gè)均勻分布的－30的鋼板作為筋板。

1．2 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)受力分析

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行過(guò)程主要分為正常澆注期間、停機(jī)時(shí)間兩個(gè)部分，正常澆注期間通常為一個(gè)滿載鋼包開(kāi)始澆注，另一側(cè)大包開(kāi)交后沒(méi)有鋼包，起重機(jī)吊運(yùn)滿載鋼包至大包回轉(zhuǎn)臺(tái)，沖擊載荷實(shí)施，將鋼包安裝至鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)，此時(shí)為2個(gè)滿載鋼包;鋼包澆注完成，將滿載鋼包旋轉(zhuǎn)至澆注位此時(shí)為一個(gè)滿載鋼包一個(gè)空載鋼包;起重機(jī)將空載鋼包倒運(yùn)至鋼包車同時(shí)將滿載鋼包吊運(yùn)，在此過(guò)程中為一邊重載，一邊無(wú)載荷;在檢修或者設(shè)備停機(jī)期間，完成最后一包大包澆注，此時(shí)為一邊無(wú)載荷一邊空包載荷，停機(jī)后為兩邊均無(wú)載荷。該鋼廠冶煉時(shí)間為23 min左右。

該廠出鋼量按照48 t計(jì)算，鋼包重量23 t，鋼包回轉(zhuǎn)臂重量為28 t，加回轉(zhuǎn)支撐及附屬裝置為36 t即在滿載情況下回轉(zhuǎn)支座承載重量為:(48 t+23 t+5 t)×2+36 t=203 t。

假設(shè)在理想狀態(tài)下對(duì)大包回轉(zhuǎn)臺(tái)制作進(jìn)行受力分析:在滿載及同時(shí)無(wú)鋼包情況下，在2個(gè)回轉(zhuǎn)臂上方產(chǎn)生的受力相同，不產(chǎn)生傾覆力矩。

在一邊空載一邊滿載情況下產(chǎn)生:48 t×1 000 kg/t×9．8 N/kg×3．4 m=1 599 360 N/m

在一邊無(wú)鋼包一邊滿載情況下產(chǎn)生:(48 t+23 t+5 t)×1 000 kg/t×9．8 N/kg×3．4 m=2 532 320 N/m

在一邊空鋼包一邊無(wú)載荷情況下產(chǎn)生:28 t×1 000 kg/t×9．8 N/kg×3．4 m=932 960 N/m

通過(guò)對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)在一側(cè)無(wú)鋼包一側(cè)重載情況下鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)承受載荷最大，同時(shí)考慮在鋼包吊運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)載荷沖擊，根據(jù)《冶金機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》通常選取載荷沖擊系數(shù)為1．25［1］，考慮鋼包裝入量及鋼渣影響，選取沖擊載荷系數(shù)為2進(jìn)行校對(duì)。

2 優(yōu)化方案的初步設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)載荷沖擊環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)分析，出現(xiàn)裂紋的主要部位為過(guò)渡連接支撐部位，主要原因?yàn)闆_擊載荷造成螺栓連接受力不均勻，部分連接區(qū)域受力過(guò)大，造成撕裂;同時(shí)筋板設(shè)計(jì)不合理造成加固失效，針對(duì)兩項(xiàng)問(wèn)題，初步提出設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，取消過(guò)度段，將底座重新設(shè)計(jì)加高，同時(shí)采用有限元對(duì)底座進(jìn)行分析，優(yōu)化筋板布置，如圖3為鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)底座設(shè)計(jì)圖，對(duì)回轉(zhuǎn)底座設(shè)計(jì)分為澆注位機(jī)座包位2個(gè)方面，重點(diǎn)強(qiáng)化該處筋板設(shè)計(jì)，在不影響與回轉(zhuǎn)支撐連接條件下，增多優(yōu)化布置筋板，減少應(yīng)力集中。

圖3 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)底座設(shè)計(jì)

3 設(shè)計(jì)方案有限分析數(shù)據(jù)對(duì)比

采用有限元分析對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座進(jìn)行造型，同時(shí)對(duì)不同工況下底座設(shè)計(jì)樣式進(jìn)行加載。

如圖4所示為方案1保留頂法蘭外圈筋板0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°角度方向的筋板，且將其厚度由12 mm改為25 mm，其余筋板全部割除下受力模型分析［2］。

如圖5所示為方案2將頂法蘭外圈筋板與安裝螺栓發(fā)生干涉的筋板進(jìn)行分割，切除干涉區(qū)域，其余筋板全部割除下受力模型分析。

圖4 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1

圖5 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2

如圖6所示為方案3將保留頂法蘭外圈筋板0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°角度方向的筋板，且將其厚度由12 mm改為25 mm，其余筋板全部割除，并在適當(dāng)位置增加一些筋板。裝置的制作及調(diào)試過(guò)程中，裝置放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，有利于裝置各方面性能的提高。

圖6 鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座優(yōu)化設(shè)計(jì)方案3

圖4 超聲波三維坐標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

文中提出的駕駛員頭部檢測(cè)方法具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，如:將牛頓迭代法的初值選為發(fā)射器的初始位置，這一思路解決了牛頓迭代法初值選擇困難的問(wèn)題;發(fā)射器與接收器之間的連接形式設(shè)計(jì)為無(wú)線連接，飛行員的頭部移動(dòng)不受連線長(zhǎng)度的限制，這一優(yōu)勢(shì)在“直升機(jī)駕駛模擬器”這一課題中尤為重要;接收控制器持續(xù)發(fā)送發(fā)射開(kāi)始的控制信號(hào)，接收控制器的存儲(chǔ)器中始終存在一組發(fā)射器的三維坐標(biāo)，當(dāng)控制計(jì)算機(jī)詢問(wèn)發(fā)射器坐標(biāo)時(shí)，可以直接將其讀取，從而保證了實(shí)時(shí)性等。相比三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光跟蹤儀那些成本高，不利于其大范圍的推廣使用的設(shè)備，文中的檢測(cè)方法效果突出而且成本低廉，且具有良好的擴(kuò)展性，可以廣泛應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)定位、機(jī)器人導(dǎo)航定位、虛擬現(xiàn)實(shí)、模擬實(shí)戰(zhàn)游戲、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位等方面。

［1］ 顧國(guó)榮，鮑駿成，李海樂(lè)．基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．沿海企業(yè)與科技，2012(2):17-18．

［2］ 華 宏，王涌天，郭向前，等．超聲波三維位置坐標(biāo)跟蹤器設(shè)計(jì)原理及其誤差模型的研究［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2000(6):56-67．