鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)支撐臂的應(yīng)力分析

關(guān)麗坤 張?chǎng)斡?李志星

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古014010)

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)是包鋼薄板廠連鑄連軋生產(chǎn)線上的重要設(shè)備，在使用過(guò)程中，支撐臂根部液壓缸支承座立板垂直、水平焊縫出現(xiàn)裂紋。為找出裂紋產(chǎn)生的原因，用ANSYS軟件對(duì)支撐臂進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，并對(duì)最大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。

1 建立有限元模型

1.1 建立模型

一臺(tái)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)有4個(gè)支撐臂，承擔(dān)運(yùn)載鋼包及鋼水的作用，為箱形結(jié)構(gòu)，由厚度不同的鋼板焊接聯(lián)結(jié)而成。主體長(zhǎng)4 710 mm、高4 110 mm、寬630 mm。材料為低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn，熱軋態(tài)，強(qiáng)度極限與屈服極限見(jiàn)表1。彈性模量為2×108kPa，泊松比為0.3，密度為7 850×10-9kg/mm3。

表1 低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn的強(qiáng)度極限與屈服極限

在建立模型時(shí)，一些焊接小件、小孔等不影響整體剛度和強(qiáng)度的細(xì)節(jié)可以忽略不計(jì)。支撐臂的有限元模型如圖1所示。

圖1 支撐臂的有限元模型Figure 1 Finite element model of support arm

1.2 劃分網(wǎng)格

在劃分網(wǎng)格之前，首先指定單元類型。在實(shí)際工程應(yīng)用中，支撐臂由一系列厚度不等的板件組成，且形狀復(fù)雜，宜離散為塊單元solid92。采用自由劃分網(wǎng)格的方法。在本模型中，有限元模型劃分單元226 940個(gè)，節(jié)點(diǎn)379 897個(gè)。

2 支撐臂的靜力分析

2.1 邊界條件和基本載荷的確定

支撐臂是通過(guò)連桿與回轉(zhuǎn)臺(tái)底座鉸接在一起的。支撐臂與連桿之間采用全約束來(lái)模擬，作用在上、下兩個(gè)鉸接孔壁處。

通過(guò)鋼包在滿載時(shí)的重心位置、鋼包及鋼水的重量確定其對(duì)支撐臂造成的壓力，計(jì)算得到支撐臂中部支承面所受面載荷為18 987 kPa，懸臂端作用集中力為759 500 N，作用在懸臂端鉸接孔壁下側(cè)。支撐臂所受重力以重力加速度方式施加。

2.2 各工況下的ANSYS模擬

(1)單側(cè)支撐臂的工況主要包括：接收滿鋼水鋼包,承受滿鋼水鋼包，承受滿鋼水鋼包轉(zhuǎn)臂，釋放鋼水，空鋼包轉(zhuǎn)臂，卸去空鋼包。

(2)支撐臂在承受滿鋼水鋼包工況下的模擬，如圖2、圖3所示，應(yīng)力單位kPa。

(3)支撐臂在接收滿鋼水鋼包工況下的模擬，如圖4、圖5所示，應(yīng)力單位kPa。

接收滿鋼水鋼包時(shí)沖擊比較大，經(jīng)查沖擊系數(shù)(即沖擊載荷與靜載荷之比)常取1.6～1.8，現(xiàn)取1.7。

圖2 支撐臂在承受滿鋼水鋼包工況下的應(yīng)力分布Figure 2 Support arm stress distribution under the condition of ladle with full molten steel

圖3 支撐臂立板在承受滿鋼水鋼包工況下的應(yīng)力分布Figure 3 Support arm vertical plate stress distribution under the condition of ladle with full molten steel

圖4 支撐臂在接收滿鋼水鋼包工況下的應(yīng)力分布Figure 4 Support arm stress distribution when accepting full molten steel in ladle

圖5 支撐臂立板在接收滿鋼水鋼包工況下的應(yīng)力分布Figure 5 Support arm vertical plate stress distribution when accepting full molten steel in ladle

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

從上述應(yīng)力云圖可看出，由于幾何建模不夠精確，支撐臂上斜板根部存在過(guò)大應(yīng)力集中，可忽略不計(jì)。支撐臂根部液壓缸支承座立板局部應(yīng)力較大，為尋求具體應(yīng)力數(shù)值大小，將立板垂直和水平焊縫的應(yīng)力沿路徑顯示，見(jiàn)圖6、圖7、圖8和圖9，應(yīng)力單位kPa。

圖6 承受滿鋼水鋼包工況下，最外側(cè)垂直方向由上至下焊縫的有效應(yīng)力Figure 6 The effective stress of weld in vertical direction of outmost from top to bottom on the condition of ladle with full molten steel

圖7 承受滿鋼水鋼包工況下，立板最外側(cè)水平方向由根部至外焊縫的有效應(yīng)力Figure 7 The effective stress of weld in horizontal direction of vertical plate outmost from root to outer on the condition of ladle with full molten steel

圖8 接收滿鋼水鋼包工況下，最外側(cè)垂直方向由上至下焊縫的有效應(yīng)力Figure 8 The effective stress of weld in vertical direction of outmost from top to bottom when accepting full molten steel in ladle

圖9 接收滿鋼水鋼包工況下，立板最外側(cè)水平方向由根部至外焊縫的有效應(yīng)力Figure 9 The effective stress of weld in horizontal direction of vertical plate outmost from root to outer when accepting full molten steel in ladle

支撐臂根部液壓缸支承座立板厚度為32 mm，由于尺寸越大材料的強(qiáng)度極限越低，所以選取強(qiáng)度極限為573 MPa，屈服極限為315 MPa。

接收滿鋼水鋼包工況下，立板最外側(cè)水平方向由根部至外焊縫最大有效應(yīng)力已超過(guò)材料的屈服極限。

3 支撐臂的疲勞壽命計(jì)算

3.1 應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)(S-N)曲線的獲得

使用近似法做材料的S-N曲線。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上取下列兩點(diǎn)：

N=103，σ=0.9Rm=0.9×573=515.7 MPa；

N=107，σ=0.45Rm=0.45×573=257.9 MPa；

連接該兩點(diǎn)得一斜線，即為所求的S-N曲線，如圖10所示。

而支撐臂的S-N曲線的繪制，要考慮影響疲勞強(qiáng)度的各種因素，主要包括應(yīng)力集中系數(shù)、尺寸、表面狀態(tài)、載荷頻率、工作環(huán)境等。在有限元模型計(jì)算時(shí)已經(jīng)考慮了理論應(yīng)力集中系數(shù)，繪制曲線時(shí)可不再考慮。支撐臂的S-N曲線見(jiàn)圖11。

由于支撐臂幾個(gè)損傷部位的等效應(yīng)力方向基本不變，因此可以認(rèn)為是單向應(yīng)力狀態(tài)。上述按單向應(yīng)力狀態(tài)繪制的S-N曲線是合理的。

材料的S-N曲線是在對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下繪制的，而支撐臂上任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)都是非對(duì)稱的，應(yīng)力均值不為零。

對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼的脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限可以使用經(jīng)驗(yàn)公式估算。

拉壓狀態(tài)下，對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限σ-1l=0.23×(Re+Rm)=0.23×(573+315)=204 MPa(有誤差)。

拉壓狀態(tài)下，脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力的疲勞極限σ0l=1.42σ-1l=289 MPa。

由圖11可查出在最大應(yīng)力下到達(dá)疲勞失效的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，例如，立板垂直焊縫外側(cè)為2.15×106，立板水平焊縫外側(cè)為1.95×104。當(dāng)應(yīng)力小于257.9 MPa時(shí)，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于107，視作對(duì)零件無(wú)損傷。

圖10 16Mn的S-N曲線Figure 10 S-N curve of 16Mn

圖11 支撐臂的S-N曲線Figure 11 S-N curve of support arm

3.2 疲勞壽命的估算

零件的疲勞壽命估計(jì)值為：

焊縫本是應(yīng)力集中部位，支撐臂在結(jié)構(gòu)上又致使此處所受應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)屈服極限，所以導(dǎo)致了焊縫過(guò)早開(kāi)裂。

4 結(jié)束語(yǔ)

惡劣的工作環(huán)境和超負(fù)荷運(yùn)行在一定程度上惡化了支撐臂的應(yīng)力狀況，但其結(jié)構(gòu)的不合理是失效的主要原因?？梢钥紤]將支撐臂的焊縫避開(kāi)應(yīng)力集中部位，或者改變支撐臂受載情況，通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

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