基于Simulation對轉(zhuǎn)爐傾動裝置扭力桿的有限元分析

張皓天

（太原重型機(jī)械集團(tuán)，山西 太原030024）

0 引言

轉(zhuǎn)爐傾動裝置是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，它在轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備中對爐體起到平穩(wěn)傾翻和準(zhǔn)確定位的作用。當(dāng)爐體在進(jìn)行加料、出渣、拉碳、出鋼和補(bǔ)爐等一系列工藝操作時(shí)需要通過傾動機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的扭矩來使轉(zhuǎn)爐進(jìn)行轉(zhuǎn)動。傾動裝置為整套設(shè)備提供動力，其重要性可見一斑。其工作特點(diǎn)是低速、重載、啟制動頻繁、速比大、工作條件惡劣并且受沖擊非常大。扭力桿作為傾動裝置的一個(gè)關(guān)鍵部件，它可以在傾動運(yùn)行時(shí)起到抗扭緩沖的作用，這對保證設(shè)備運(yùn)行安全平穩(wěn)、延長設(shè)備壽命是非常重要的。其具體的工作原理為：在一二次減速機(jī)與爐體作為相對靜止的設(shè)備繞耳軸轉(zhuǎn)動時(shí)，安裝在二次減速機(jī)下方左右兩側(cè)的的兩個(gè)聯(lián)接桿一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，再將力傳遞給扭力桿兩側(cè)的曲柄裝置，并在扭力桿兩側(cè)形成大小相等方向相反的一對力偶，使得扭力桿發(fā)生彎扭變形，從而對傾動設(shè)備起到支撐、抗震緩沖的作用。為全面了解扭力桿的變形及應(yīng)力分布狀態(tài)，確定其剛度與轉(zhuǎn)角是否符合設(shè)計(jì)安全，并提供直觀的分析計(jì)算報(bào)告，特應(yīng)用Solidworks中的Simulation有限元分析模塊對扭力桿進(jìn)行了分析研究。

1 轉(zhuǎn)爐傾動裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示轉(zhuǎn)爐傾動裝置主要由一次減速機(jī)、二次減速機(jī)、扭力桿、電機(jī)等部分構(gòu)成。傾動裝置現(xiàn)主要采用全懸掛式結(jié)構(gòu)。它的特點(diǎn)是整個(gè)傾動裝置全部掛在托圈的傳動側(cè)耳軸上，四臺一次減速機(jī)末級齒輪同時(shí)驅(qū)動二次大齒輪轉(zhuǎn)動，二次大齒輪通過切向鍵傳遞扭矩到耳軸上面從而驅(qū)動托圈爐體繞耳軸中心線轉(zhuǎn)動，進(jìn)而完成兌鋼水、加廢鋼、取樣、出鋼和倒渣等操作。為了防止傾動機(jī)構(gòu)輸出扭矩時(shí)同時(shí)繞著耳軸中心線轉(zhuǎn)動，在二次減速機(jī)下方安裝有扭力桿裝置，并通過左右聯(lián)接板與二次減速機(jī)箱體聯(lián)接，這樣扭力桿裝置就可以對整個(gè)機(jī)構(gòu)起到支撐的作用。當(dāng)爐體進(jìn)行轉(zhuǎn)動時(shí)，傾動機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)動能，在扭力桿進(jìn)行支撐和緩沖的過程中，經(jīng)連接板轉(zhuǎn)變?yōu)榕ちU的扭轉(zhuǎn)變形能。

圖1

2 Simulation軟件

Simulation是DSSolidworks公司開發(fā)的一款基于有限元技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，同時(shí)它作為嵌入式軟件可以做到與Solidworks無縫集成。

3 扭力桿的常規(guī)計(jì)算

扭力桿的安全與否對整套設(shè)備的安全與穩(wěn)定起著非常重要的作用，所以對扭力桿強(qiáng)度進(jìn)行校核是非常有必要的。此處我們以某鋼廠300t轉(zhuǎn)爐傾動(圖1)為原型進(jìn)行分析，已知該傾動的最大傾動力矩為6500kN*m，聯(lián)接桿中心距離扭力桿中心距離S為560mm，扭力桿曲柄寬160mm，扭力桿最小軸徑380mm。

（1）我們在對扭力桿進(jìn)行分析時(shí)需要建立力學(xué)模型，如圖2所示：作用在曲柄上的拉力與壓力可以等效成作用在扭力桿曲柄C點(diǎn)與曲柄D點(diǎn)的力FC、FD和扭矩TC、TD的疊加。

圖2

（2）CD之 間 的 扭 矩 為：T=-FC*S=FD*S=-1477.27kN*0.56m=827.27kN*m

做扭矩圖，如圖3所示：

圖3

（3）根據(jù)彎矩平衡計(jì)算軸承座A、B處受力FA*5380+FC*4890-FD*490=0

FB與FA大小相等，方向相反FB=1208kN

（4）C點(diǎn)所受彎矩MC=-FA*0.49m=-1208kN*0.49m=-591.92kN*m

D點(diǎn)所受彎矩MD=FB*0.49m=1208kN*0.49m=591.92kN

做彎矩圖，如圖4所示：

圖4

可見在C點(diǎn)與D點(diǎn)，扭力桿的所受的彎矩與扭矩最大，所以這兩點(diǎn)變形位移量也是最大的。

（5）根據(jù)第四強(qiáng)度理論，在C點(diǎn)與D點(diǎn)，扭力桿的當(dāng)量彎矩

式中：σp為許用應(yīng)力，其中40Cr調(diào)質(zhì)鋼的需用應(yīng)力此時(shí)取值為172MPa

該模型扭力桿曲柄處軸徑為580mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于許用值，符合要求

式中：T為扭矩，T=827.27kN*m；L為有效變形長度，L=4400-160=4240mm；G為扭轉(zhuǎn)彈性模量，G=8.1*104N/mm2；J為抗扭慣性距，J=Πd4/32=2.046*109mm4

d取該扭力桿最小軸徑380mm

代入該公式得φ=0.021rad=1.2°（小于最大需用扭轉(zhuǎn)角度3°），符合要求

故該扭力桿的設(shè)計(jì)是符合要求的。

以上為扭力桿強(qiáng)度校核的常規(guī)算法，該方法公式較多，計(jì)算較為復(fù)雜，同時(shí)不能夠直觀的看出扭力桿的應(yīng)力分布狀態(tài)。

4 扭力桿的有限元分析

此處我們利用Solidworks軟件中的自帶插件Simulation對扭力桿進(jìn)行有限元分析。

首先，依據(jù)圖紙進(jìn)行建模，如圖5所示。由于扭力桿與聯(lián)接板采用鍵銷聯(lián)接，故此處我們將其當(dāng)成整體。

圖5

其次，進(jìn)入Simulation界面對扭力桿開始進(jìn)行有限元分析操作。

（1）規(guī)定扭力桿材料

（2）加載力以及添加約束條件。由于扭力桿同時(shí)受扭矩和彎矩的作用，我們把扭力桿一側(cè)設(shè)為固定約束，另一側(cè)約束為可以自由轉(zhuǎn)動的軸承約束。然后在扭力桿軸承約束側(cè)聯(lián)接板處加向下壓力，力大小為FC=FD=1477.27kN。如圖6所示：左側(cè)為固定約束，右側(cè)為軸承約束。

圖6

（3）劃分網(wǎng)格，如圖7所示。

（4）有限元分析運(yùn)算，得出結(jié)果。

圖8為扭力桿的應(yīng)力分布圖。由圖8我們可以看到：扭力桿的應(yīng)力分布式呈現(xiàn)對稱狀態(tài)的，并且在扭力桿中心處的應(yīng)力是非常大的，但是最大應(yīng)力顯示卻不在靠近中心的位置，反而出現(xiàn)在靠近扭力桿曲柄的位置處，這是因?yàn)樵诳拷ちU曲柄位置處的設(shè)計(jì)圓角半徑不夠大從而產(chǎn)生了應(yīng)力集中所導(dǎo)致的，這樣經(jīng)過分析，我們還可以直觀的發(fā)現(xiàn)在扭力桿設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的不足之處，從而做出改進(jìn)（增大過渡圓角）。

圖7

圖8

圖9為扭力桿的位移圖，由圖我們可以得出扭力桿的最大為位移處為曲柄的最外緣處，最大位移為20mm，這也與扭力桿實(shí)際情況下的位移狀態(tài)是相符的。通過位移量換算為偏轉(zhuǎn)角度為φ=1.25°。這與之前驗(yàn)算的偏轉(zhuǎn)角φ1.2°是相符的。從另一方面也驗(yàn)證了扭力桿有限元分析的正確性。這樣我們也可以得出扭力桿的設(shè)計(jì)是符合要求的。

圖9

5 結(jié)論

以上我們介紹了扭力桿分析計(jì)算的兩種方法，通過比較我們可以發(fā)現(xiàn)基于Simulation軟件對扭力桿進(jìn)行分析計(jì)算不僅更加快捷簡單而且更加直觀，可以很形象很準(zhǔn)確的為我們設(shè)計(jì)扭力桿提供理論依據(jù)。

［1］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社.

［2］劉鴻文.材料力學(xué)[M].高等教育出版社.