連鑄拉矯機(jī)強(qiáng)度分析和冷卻水系統(tǒng)研究

夏龍偉，黃森炎，劉 波，萬宇軒

(中鋼集團(tuán)衡陽重機(jī)有限公司，湖南 衡陽 421002)

0 前言

本文的研究對(duì)象拉矯機(jī)為鉗式框架結(jié)構(gòu)，主要由機(jī)架、鉗桿、壓下臂、液壓缸、上下輥裝配、電機(jī)、減速機(jī)、隔熱水套和冷卻水系統(tǒng)組成，如圖1所示。拉坯機(jī)的上、下輥均為傳動(dòng)輥，矯直機(jī)只有上輥傳動(dòng)。壓下裝置的各個(gè)動(dòng)作由液壓缸來完成［1］。

1 有限元(靜態(tài))分析

拉矯機(jī)的強(qiáng)度直接決定其工作安全性，進(jìn)而影響鑄坯的尺寸精度和質(zhì)量。因此，對(duì)拉矯機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度分析具有重要的實(shí)際意義［2］。

圖1 拉矯機(jī)主要部件Fig.1 Main parts of withdrawal straightener

1.1 拉矯機(jī)受力狀況

拉矯機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了克服拉坯阻力和裝引錠桿時(shí)拉輥的受力［3］，必須在輥?zhàn)由鲜┘右欢ǖ恼龎毫?。?jīng)過計(jì)算可知，裝引錠桿時(shí)的正壓力最大，于是只分析裝引錠桿時(shí)的情況。

裝引錠桿時(shí)，引錠桿向上運(yùn)行，摩擦阻力向下，下滑力向下，則裝引錠桿拉輥的受力

式中，g=9.8 m/s2;A為引錠桿斷面積，A=192.67 cm2;R為鑄機(jī)基本弧半徑R=900 cm;ρ為引錠桿材料比重，ρ=0.0078 kg/cm3;α為引錠頭極限位與拉輥?zhàn)畲蟀牵?80°;μ0為二冷裝置內(nèi)摩擦系數(shù)，μ0=0.15。

由于有兩對(duì)拉輥，對(duì)一對(duì)拉輥的上輥，拉輥的受力F′r=Fr/2=6455.63 N

輥?zhàn)由险龎毫?N=F′r/μ1=161390.75 N

式中，μ1為輥與引錠桿摩擦系數(shù)，μ1=0.04。

從結(jié)構(gòu)上看，液壓缸的壓下力與拉輥的壓下力之間有杠桿關(guān)系，則液壓缸的壓下力

式中，a為油缸至轉(zhuǎn)軸距離，a=842 mm;b為輥?zhàn)又行闹赁D(zhuǎn)軸距離，b=550 mm。

輥?zhàn)邮艿哪Σ亮f=6455.63 N，考慮到平衡，輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)矩為

式中，r為輥?zhàn)影霃?，r=175 mm。

1.2 有限元分析

建立拉矯機(jī)幾何體，將減速機(jī)和電機(jī)壓縮，以簡化模型。

1.2.1 材料屬性準(zhǔn)備

零件(除輥?zhàn)油?材料選用普碳鋼，輥?zhàn)硬牧线x用合金鋼。

1.2.2 定義夾具

將機(jī)架底部六塊面板的下表面選擇為固定幾何體。

1.2.3 施加外部載荷

對(duì)上下輥各施加壓力161390.75 N、摩擦力6455.63 N、轉(zhuǎn)矩1129.74 N·m;對(duì)液壓缸活塞施加壓力105421.51 N;對(duì)液壓缸底部施加壓力105421.51 N，忽略周向力(相互抵消)。對(duì)上下輥軸端減速機(jī)位置各施加壓力3000 N(由于減速機(jī)已經(jīng)壓縮)，如圖2所示。

1.2.4 劃分網(wǎng)格

圖2 拉矯機(jī)受力加載示意圖Fig.2 Diagram of load-carrying force on withdrawal straightener

設(shè)置網(wǎng)格密度接近良好，應(yīng)用網(wǎng)格控制對(duì)局部細(xì)化。

1.2.5 結(jié)果分析

圖3為等效應(yīng)力圖。由圖3可以看出，受力比較大的兩個(gè)區(qū)域是被活塞桿壓下的鉗桿上部的面板，還有鉗桿和機(jī)架鉸接處的銷軸孔邊緣及銷軸。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在后者區(qū)域，約210.3 MPa。材料是Q235，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，選取安全系數(shù)n=1.5，則許用應(yīng)力［σ］=σs/n=235/1.5=156.7 MPa。顯然，許用應(yīng)力小于計(jì)算得到的最大等效應(yīng)力，有安全隱患。所以必須進(jìn)行改進(jìn)，考慮到銷軸孔邊緣的應(yīng)力集中，于是對(duì)銷軸孔邊緣倒圓角。為了增加銷軸的強(qiáng)度，將銷軸材料換為合金鋼。被活塞桿壓下的鉗桿上部的面板也存在安全隱患，在其下方增加了一個(gè)支撐板，同時(shí)保證其剛度要求，如圖4所示。

圖3 等效應(yīng)力分布圖Fig.3 Distribution of equivalent stress

再次計(jì)算后，最大等效應(yīng)力明顯降低，接近148 MPa。最大等效應(yīng)力小于許用應(yīng)力。因此改進(jìn)后的設(shè)計(jì)是安全的，拉矯機(jī)的強(qiáng)度滿足工作要求。

2 流體(冷卻水系統(tǒng))分析

由于拉矯機(jī)長時(shí)間處于高溫輻射狀態(tài)下工作，所以對(duì)拉矯機(jī)各部分設(shè)備要進(jìn)行有效冷卻和保護(hù)，防止設(shè)備構(gòu)件產(chǎn)生高溫蠕變、拉坯阻力增加等問題。對(duì)拉矯機(jī)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行流動(dòng)和熱交換分析，有助于改進(jìn)水路結(jié)構(gòu)，從而延長拉矯機(jī)使用壽命［4］。

本項(xiàng)目拉矯機(jī)的冷卻水系統(tǒng)包括:軸承座及上下輥通水內(nèi)冷;壓下臂、鉗桿通水內(nèi)冷;減速機(jī)通水內(nèi)冷;將紅熱鑄坯罩住的隔熱水套通水內(nèi)冷;機(jī)架通水內(nèi)冷。水冷機(jī)架還起到分水箱的作用，所有水冷卻部件的進(jìn)出水管都與機(jī)架連接，機(jī)架上只有一個(gè)進(jìn)水管和出水管，便于拉矯機(jī)整體快速更換，提高連鑄作業(yè)率。

2.1 流動(dòng)分析

2.1.1 基本設(shè)置

模擬類型設(shè)為允許熱傳導(dǎo)，包括固體與固體之間，固體與流體之間。流體設(shè)置為水，固體材料選為普碳鋼。

2.1.2 邊界條件

設(shè)置進(jìn)水口的流量3.6 kg/s和出水口的壓力601325 Pa。

2.1.3 結(jié)果分析

要保證水流的暢通，不允許出現(xiàn)死水和關(guān)鍵水路的流量過小。因?yàn)樯鲜鰞烧叨疾荒芗皶r(shí)帶走熱量，致使水溫升高，影響冷卻效果。

第一個(gè)位置:鉗桿回水腔前端部出現(xiàn)死水，如圖5所示。

處理方法:將左、右軸承座的連通水管由軸承座前端改到軸承座后端，讓軸承座冷卻水由鉗桿前端流入、流出，克服鉗桿前端死水現(xiàn)象。

第二個(gè)位置:機(jī)架回水腔出現(xiàn)死水，如圖6所示。

圖5 鉗桿回水腔前端部出現(xiàn)死水示意圖Fig.5 Diagram of dead water at front end of claw beam recycle-water cavity

圖6 機(jī)架回水腔出現(xiàn)死水示意圖Fig.6 Diagram of dead water appearing in recyclewater cavity of withdrawal straightener frame

處理方法:將機(jī)架上的減速機(jī)及下輥冷卻水進(jìn)出水口位置，盡量遠(yuǎn)離軸承座中心位置。

第三個(gè)位置:隔熱水套進(jìn)水腔后部上端的一個(gè)矩形管有1個(gè)進(jìn)水孔和2個(gè)出水孔，只有靠近進(jìn)水孔的出水孔出水，另一個(gè)出水孔不出水，導(dǎo)致該管子形成死水，如圖7所示。回水腔也存在同樣問題。

圖7 矩形管出現(xiàn)死水示意圖Fig.7 Diagram of dead water appearing in rectangular tube

處理方法:減小該矩形管兩個(gè)出水孔孔徑。

第四個(gè)位置:從流動(dòng)跡線的密度看出，進(jìn)壓下臂的水流量比進(jìn)隔熱水套的水流量大，主要原因是兩路水管通徑相同，而壓下臂管路壓力損耗小，因此大量冷卻水經(jīng)壓下臂進(jìn)回水腔。但實(shí)際上隔熱水套直接受鑄坯烘烤，需要大量冷卻水冷卻，而壓下臂不直接受烘烤，冷卻水量可以減少，如圖8所示。處理方法:將壓下臂的進(jìn)出水口管徑由原來的1in改為0.75in，這樣可以保證隔熱水套做進(jìn)水量。

圖8 壓下臂和隔熱水套流動(dòng)跡線圖Fig.8 Flow-trace of depressing-arm and heat-resistant water

2.2 熱交換分析

整體熱交換水路水溫變化很小，故不用分析。只有隔熱水套溫升比較大，所以只對(duì)隔熱水套進(jìn)行熱分析。其實(shí)鑄坯放出的熱量大部分是在隔熱水套進(jìn)行熱交換的。

需要說明的是，為了實(shí)現(xiàn)方坯—空氣—隔熱水套—水之間的熱交換，需要把隔熱水套放在假定的一個(gè)空箱體里，以實(shí)現(xiàn)熱空氣的傳熱。

2.2.1 基本設(shè)置

模擬類型設(shè)為允許熱傳導(dǎo)，包括固體與固體之間，固體與流體之間。流體設(shè)置為空氣(默認(rèn))和水，固體材料選為普碳鋼。

2.2.2 流體區(qū)域

為水設(shè)置流動(dòng)子區(qū)域。

2.2.3 邊界條件

設(shè)置空氣流動(dòng)環(huán)境壓力101325 Pa。

設(shè)置進(jìn)水口的流量1 kg/s和出水口的壓力601546 Pa。

2.2.4 設(shè)置熱源

設(shè)置一定長度(1700 mm)方坯為熱源，定義熱量60 kJ/s和溫度1000℃。

2.2.5 結(jié)果分析

水溫變化趨勢(shì)合理。水溫從常溫最多上升了6.5℃，位于6℃ ～10℃內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，如圖9所示。

圖9 冷卻水水溫分布圖Fig.9 Distribution of water temperature of cooling water

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)R9 m拉矯機(jī)的強(qiáng)度分析，找到了結(jié)構(gòu)的薄弱位置，即被活塞桿壓下的鉗桿上部的面板，還有鉗桿和機(jī)架鉸接處的銷軸孔邊緣及銷軸。從而有針對(duì)性的作了改進(jìn)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)，保證了拉矯機(jī)工作的安全性。

(2)通過對(duì)R9 m拉矯機(jī)的冷卻水系統(tǒng)的流動(dòng)仿真，找出了某些水路出現(xiàn)死水和關(guān)鍵水路流量過小的原因，提出了處理方法。并進(jìn)行了熱交換仿真，得出隔熱水套整體水路設(shè)計(jì)的合理性。該工作有助于改進(jìn)冷卻水系統(tǒng)的水路結(jié)構(gòu)，從而延長拉矯機(jī)使用壽命。

［1］ 王浦江．小方坯連鑄(再版)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998．

［2］ 陳超祥，葉修梓．SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程(2010版)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［3］ 胡堅(jiān)．六廠R6×1700弧形連鑄機(jī)拉矯機(jī)改造設(shè)計(jì)計(jì)算［J］．重鋼技術(shù)，1990，12(5)．

［4］ 賀坤茂．大方坯連鑄拉矯機(jī)冷卻水箱長壽化［J］．設(shè)備技術(shù)，2007(3)．