T2853臺車式退火爐車架的靜態(tài)特性分析

趙大為，尹躍峰，董翠粉

（1.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450001; 2.鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450061）

T2853臺車式退火爐車架的靜態(tài)特性分析

趙大為1，尹躍峰1，董翠粉2

（1.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450001; 2.鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450061）

臺車車架作為臺車式退火爐的重要組成部分，在承載工件、完成退火處理的過程中發(fā)揮著重要作用。針對車架傳統(tǒng)設計中強度及剛度設計往往偏大的現(xiàn)象，采用SolidW orks S imulation有限元分析軟件對T2853臺車車架進行強度及剛度的靜態(tài)特性分析，得出其應力與變形云圖，驗證其設計的可靠性與合理性，為車架的強度與剛度校核提供了參考。

退火爐；車架；靜強度；剛度

0 引言

工業(yè)爐是在工業(yè)生產(chǎn)中，利用燃料燃燒或電能轉(zhuǎn)化的熱量，將物料或工件加熱的熱工設備[1]。T2853臺車式退火爐是采用天然氣作燃料，用于對某內(nèi)燃機車發(fā)動機機體鑄件消除應力的退火處理。主要由爐體及爐襯、爐門及升降系統(tǒng)、無動力臺車、橫向轉(zhuǎn)運車及推拉機構(gòu)、地面板鏈驅(qū)動系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、天然氣供氣系統(tǒng)、助燃風系統(tǒng)、密封及氣動壓緊系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成。

其中無動力臺車鋼架結(jié)構(gòu)需充分考慮集中載荷較多的情況，保證臺車不易變形、行走平穩(wěn)。目前在設計過程中對臺車鋼架結(jié)構(gòu)的校核計算都是采用傳統(tǒng)的材料力學知識進行，為保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，往往導致設計出來的結(jié)構(gòu)尺寸偏大，不僅占用空間、耗費材料，而且也不符合當前節(jié)約、高效的時代主流。

本文采用SolidWorks設計軟件和有限元分析方法，可在設計早期對T2853臺車式熱處理爐無動力臺車車架設計中存在的薄弱環(huán)節(jié)進行適度的修正及優(yōu)化，對其進行強度和剛度的靜態(tài)特性分析，獲得其應力分布、應變情況，判斷結(jié)構(gòu)的可靠性，最大限度的提高設計的經(jīng)濟性[2-3]。

1 臺車結(jié)構(gòu)及工況分析

圖1所示為T2853臺車式退火爐的無動力臺車結(jié)構(gòu)，車架（圖1件4）主體結(jié)構(gòu)為Q235-A材質(zhì)的25#槽鋼和工字鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為6 800×5 100 mm（長×寬），屬于大尺寸結(jié)構(gòu)件。車架底部左右兩側(cè)對稱分布有兩塊6 570×250×30 mm（長×寬×厚）（如圖1中件5）的車架承托板，材質(zhì)亦均為Q235-A，用于臺車車架在中轉(zhuǎn)機構(gòu)上的支撐。

圖1 T2853臺車式退火爐無動力臺車結(jié)構(gòu)

臺車在滿負荷使用時，臺車車架所受的載荷包括裝載的內(nèi)燃機機車發(fā)動機機體鑄件、隔熱層耐火砌體和墊鐵等，總質(zhì)量為90 t，受力狀況較為惡劣，故需對臺車車架結(jié)構(gòu)進行強度和剛度的靜態(tài)特性分析，驗證其結(jié)構(gòu)的合理性。

2 失效形式及強度評價標準

T2853臺車式退火爐車架的槽鋼及鋼板均采用Q235-A材質(zhì)，該材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件的失效形式一般為塑性屈服，應采用第四強度理論（即畸變能密度理論）對車架進行應力強度的評價[4]。

根據(jù)材料力學相關(guān)知識，可知畸變能密度為：

其中，μ為彈性常數(shù)，σ1、σ2和σ3依次表示第一、第二和第三主應力[4]。

根據(jù)該臺車的工作狀況及承受載荷，參考《機械設計手冊》[5]，確定臺車車架的安全系數(shù)為n=1.5，可知該車架的最大許用應力：

3 臺車車架的有限元模型建立

為保證有限元分析求解的正確性，臺車車架的幾何模型必須能用正確的、適度小的有限單元進行網(wǎng)格劃分，通常情況下，需要修改CAD幾何模型以滿足網(wǎng)格劃分的要求[2]，忽略對主體影響甚微的因素，對其進行適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡化[6]。由于本模型為規(guī)則對稱實體，故在進行SolidWorks Simulation有限元分析時只取該模型的1/10，以降低分析時的運算量和對計算機配置的要求。

本文對臺車車架整體采用默認基于曲率的四面體網(wǎng)格劃分方法，在易產(chǎn)生應力集中的區(qū)域進行適當?shù)木W(wǎng)格控制，確保網(wǎng)格劃分的單元質(zhì)量。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖2所示，單元總數(shù)為114 342個，節(jié)點數(shù)為216 010個，自由度數(shù)為646 311個。

圖2 臺車1/10車架網(wǎng)格劃分結(jié)果

4 臺車的靜態(tài)特性分析

（1）載荷和約束條件

臺車車架與下方的車架承托板5采用焊接方式固定在一起，整體負載依靠承托板支撐在臺車下方的中轉(zhuǎn)機構(gòu)上，當臺車在極限工況工作時，其載荷達到最大。由于臺車實際工作中車體的溫度約為70 ℃左右，且此處僅取臺車車架的1/10作分析，因此，在SolidWorks Simulation中對臺車車架上頂面只需添加F=90000N的力，將下方的車架承托板添加固定約束，分析環(huán)境溫度設置為70 ℃。

（2）靜態(tài)特性分析結(jié)果

臺車車架由Q235A材質(zhì)的25#槽鋼、25#工字鋼、δ10 mm頂鋼板和下方δ30 mm承托板焊接而成，此類低碳鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的形式一般為塑性屈服，因此對其進行數(shù)值分析時應選擇Von Mises等效應力作為車架靜態(tài)結(jié)構(gòu)強度的評價標準[5]。在SolidWorks Simulation中進行有限元分析后的結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 臺車1/10車架等效應力云圖

圖4 臺車1/10車架變形云圖

當臺車處于極限工況時，車架受到的工作載荷最大，此時車架的等效應力和變形均達到最大值，從圖3可以看出，車架的最大等效應力發(fā)生在車架主體的車架承托板處的型鋼上，最大等效應力數(shù)值為73.33 MPa，遠遠小于車架的最大許用應力156.7 MPa，臺車車架的強度可靠性符合設計要求；從圖4可以看出，臺車車架在極限工況時的極限變形量最大的地方位于車架跨中區(qū)域，僅為0.93 mm，剛度也符合設計要求。

5 臺車的現(xiàn)場應用簡況

根據(jù)上述計算結(jié)果設計應用的臺車如圖5所示，經(jīng)過現(xiàn)場工件的滿負荷裝載和入爐試運行，整體強度及剛度情況表現(xiàn)都較好，沒有出現(xiàn)臺車變形超標的情況，進而也驗證了SolidWorks Simulation數(shù)值分析的正確性。

圖5 臺車現(xiàn)場應用情況

6 結(jié)論

（1）采用SolidWorks Simulation有限元分析軟件，對T2853臺車式退火爐車架進行靜態(tài)應力和剛度特性分析，滿足了臺車的技術(shù)參數(shù)指標，為臺車設計提供了強有力的理論支持，較大程度的降低了設計和制造成本，并成功應用在設備安裝現(xiàn)場。

（2）采用SolidWorks Simulation有限元分析和傳統(tǒng)材料學理論計算相結(jié)合的方法對臺車車架結(jié)構(gòu)進行設計，設計結(jié)構(gòu)更加合理，符合當今節(jié)約、高效的設計理念，為車架的強度與剛度的校核提供了參考，也在一定程度上為后續(xù)相關(guān)設備的設計提供了理論依據(jù)。

[1] 王秉銓. 工業(yè)爐設計手冊(第3版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 陳國榮，唐紹華. 汽車驅(qū)動橋橋殼強度與模態(tài)的有限元分析[J].機械設計與制造，2010（2）：42-44.

[3] 郝凱強，平雪良，李巍. 基于Pro/E和Workbench的爐窯直角搬運機器人結(jié)構(gòu)設計與分析[J]. 機械傳動，2014（7）：100-103.

[4] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5] 聞邦椿.機械設計手冊(第五版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[6] 黃國權(quán).有限元法基礎及ANSYS應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2004.

[7] 李紹峰, 楊紅星.鑄件燃煤退火爐的改造[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),2001(6).

Analysis of static characteristics of T2853 annealing furnace frame

ZHAO DaWei1,YIN YueFeng1, Dong CuiFen2
（1.No.6 Institute of Design and Research Mechanical Industry, Zhengzhou 450007,Henan,China; 2.Zhengzhou Yutong Bus Co.,Ltd., Zhengzhou 450016, Henan, China)

As an important part of the car-type annealing furnace, the frame plays a momentous role in the process of carrying workpieces and completing the annealing treatment. In the traditional design, the designers usually select a big factor of safety to guarantee the frame’s strength and stiffness. Considering this phenomenon, this paper applies the finite element analysis software SolidWorks Simulation to the analysis of static strength and stiffness for the frame of T2853 car-type furnace and obtains the stress and deformation diagram. The results verify the reliability and rationality of the frame design, which is also providing a reference for the strength and rigidity check.

annealing furnace; frame; static strength; stiffness

TG155；

A；

1 006-9658（201 6）04-0084-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.023

2016-04-07

稿件編號: 1604-1328

趙大為（1984—），男，工程師，主要從事工業(yè)爐方面的設計及研發(fā)工作.