連鑄機(jī)彎曲段耳軸座力學(xué)性能分析與故障診斷實(shí)踐

陳開義，陳德亮，王學(xué)慶，陸彪

（1.上海梅山鋼鐵有限公司煉鐵廠，江蘇 南京 210039；2.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243000）

從鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)流程特點(diǎn)來看，連鑄設(shè)備是鋼鐵企業(yè)中連接上游工序（煉鋼）和下游工序（軋鋼）非常關(guān)鍵的生產(chǎn)設(shè)備。另外，我國鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程的連鑄比已經(jīng)達(dá)到了99%以上?？梢姡B鑄設(shè)備運(yùn)行正常與否，對整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)流程來說，有著極其重要的影響。連鑄機(jī)一旦發(fā)生故障而導(dǎo)致停產(chǎn)，將會(huì)影響整個(gè)流程的順暢運(yùn)行，造成重大生產(chǎn)事故。

目前，針對連鑄機(jī)故障分析的研究，主要分為理論計(jì)算與分析和在線監(jiān)測分析。理論計(jì)算與分析：為防止事故的發(fā)生，可采用有限元計(jì)算分析法先對連鑄機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行建模分析，并提出優(yōu)化改造建議。吳海波以連鑄機(jī)彎曲段為研究對象，建立了包括彎曲段前后框架、拉桿和輥?zhàn)蛹捌渲ё炔考哪Ｐ?，采用有限元方法?jì)算，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。潘高偉在考慮實(shí)際生產(chǎn)工況和熱-機(jī)耦合效應(yīng)，以及零部件之間的相互接觸關(guān)系的情況下，建立了連鑄機(jī)三維非線性有限元模型，并驗(yàn)證了連鑄機(jī)彎曲段耳軸座高應(yīng)力區(qū)的存在。在線監(jiān)測分析：隨著科技的發(fā)展，先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷被應(yīng)用在生產(chǎn)設(shè)備的故障診斷和分析中。運(yùn)用這類技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備故障的預(yù)警，極大地降低了設(shè)備的故障率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。王洪興運(yùn)用輥縫儀對連鑄機(jī)扇形段輥縫、導(dǎo)輥對弧和二冷噴淋情況進(jìn)行在線監(jiān)測，并利用HMI實(shí)時(shí)監(jiān)控扇形段驅(qū)動(dòng)輥扭矩，綜合判斷扇形段故障位置，保障設(shè)備正常運(yùn)行。

某鋼廠導(dǎo)向座彎曲段，連鑄生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備故障、生產(chǎn)品種調(diào)整等各種原因，導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)奏變緩，進(jìn)而引起鑄坯逐漸變冷、變硬。此時(shí)，連鑄機(jī)的鑄坯牽引機(jī)構(gòu)依然牽引鑄坯前行，引起彎曲段耳軸座的受力會(huì)急劇增大。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起彎曲段耳軸座發(fā)生不可逆的塑性形變，引起重大生產(chǎn)

事故。

1 彎曲段耳軸座的力學(xué)性能分析

1．1 彎曲段耳軸座有限元模型基本信息

圖1 分析模型圖

圖2 Q345材料本構(gòu)關(guān)系

單元類型采用20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元；材料彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.28；板厚35～50mm屈服強(qiáng)度為295MPa，板厚100mm屈服強(qiáng)度為275MPa，抗拉強(qiáng)度為526MPa；材料模型選用隨動(dòng)強(qiáng)化多線性模型。材料的本構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

1．2 彎曲段耳軸座的力學(xué)性能分析

考慮到模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量和計(jì)算效率，按對稱面取耳軸座的一半進(jìn)行分析。對稱面上施加對稱約束，部件4（如圖1所示）處施加固定約束，部件3（如圖1所示）處施加面壓，用來模擬鋼坯被電機(jī)拖動(dòng)時(shí)，承擔(dān)的支承力。分析過程中采用同時(shí)考慮了材料非線性和幾何非線性，收斂控制精度為0.5%。因非線性的存在將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果難于收斂，故加載步采用自適應(yīng)步長。

通過對彎曲段耳軸座的非線性力學(xué)分析，可得耳軸座在失效狀態(tài)下的側(cè)向變形與應(yīng)力分布。加載過程中，部件1（如圖1所示）側(cè)向變形與支承力和MISES應(yīng)力關(guān)系曲線分別如圖3所示。

圖3 側(cè)向變形與支承力關(guān)系曲線

由圖3可知，當(dāng)支承力達(dá)到1200kN時(shí)，部件3和部件1連接處的局部MISES應(yīng)力最大，已達(dá)340MPa，超過了Q345B鋼板材料的屈服強(qiáng)度，但該部件尚未失效尚可繼續(xù)工作；當(dāng)支承力達(dá)到2400kN時(shí)（尚未達(dá)到由驅(qū)動(dòng)電機(jī)換算出的額定支承力的一半，即3000kN），最大MISES應(yīng)力出現(xiàn)在部件1和部件2中，且其變形已達(dá)110mm。當(dāng)拉速降至0.5m/s以下時(shí)，鋼坯會(huì)過冷變硬，耳軸座處所受支承力將超過極限，部件將產(chǎn)生與上述分析結(jié)果相符的較大塑性變形，與現(xiàn)場出現(xiàn)的失效破壞模式基本吻合。因此，部件1和部件2是薄弱位置。因此，需要設(shè)計(jì)出合理的故障診斷系統(tǒng)，預(yù)防異常生產(chǎn)情況下，事故的發(fā)生。

2 耳軸座故障診斷系統(tǒng)

2．1 故障診斷

如上分析，在異常生產(chǎn)情況下（如鋼坯過冷變硬等），若牽引電機(jī)持續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)力，會(huì)引起耳軸座受到較大支承力，進(jìn)而超過極限，產(chǎn)生塑性變形，最終導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生。通過以上分析可知，無論在何種情況下，耳軸座端部的變形量最大。因此，可實(shí)時(shí)檢測耳軸座端部的變形，通過圖3的受力分析對比，實(shí)時(shí)判定該部位的受力情況。另外，根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置不同狀態(tài)的報(bào)警區(qū)域，如表1所示。

2．2 故障診斷效果

在正常生產(chǎn)時(shí)，在耳軸座的端部產(chǎn)生約1mm的變形量。而在停產(chǎn)生產(chǎn)時(shí)（鑄機(jī)拉坯力為0kN），在耳軸座的端部產(chǎn)生未產(chǎn)生變形量。進(jìn)而可以通過耳軸座端部變形量的實(shí)時(shí)檢測，進(jìn)一步判定在異常生產(chǎn)行為。因此，運(yùn)用該診斷平臺(tái)，實(shí)時(shí)檢測耳軸座端部的變形量，可實(shí)現(xiàn)鑄機(jī)高效的故障診斷。

表1 耳軸座報(bào)警區(qū)域劃分

4 結(jié)語

（1）彎曲段耳軸座的有限元力學(xué)分析表明，在鋼坯過冷時(shí)，部件1和部件2（如圖2所示）在耳軸座處產(chǎn)生受到較大支承力作用，將產(chǎn)生較大塑性側(cè)向變形，導(dǎo)致其失效破壞，屬薄弱部位，可能導(dǎo)致的生產(chǎn)事故發(fā)生。

（2）本文利用激光檢測裝置，實(shí)時(shí)檢測耳軸座端部變形量，并利用力學(xué)分析結(jié)果，建立鑄機(jī)故障診斷平臺(tái)，實(shí)時(shí)判定鑄機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。