鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸承三維機(jī)械應(yīng)力和變形分析

戴 冕

（馬鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000）

回轉(zhuǎn)支承是鋼包回轉(zhuǎn)臺傳遞軸向載荷、徑向載荷和傾翻力矩的重要部件，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈連接下筒體上法蘭，外圈連接上上筒體下法蘭，回轉(zhuǎn)臺上下兩半部分能夠回轉(zhuǎn)運(yùn)動，以完成接受鋼水包回轉(zhuǎn)澆注的作業(yè)要求，三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承是起重機(jī)的重要承載部件，承受了軸向載荷、徑向載荷和沖擊載荷等，且負(fù)荷大，轉(zhuǎn)向頻繁，應(yīng)力和變形情況分布十分復(fù)雜。

1 應(yīng)力分析

根據(jù)二維圖紙進(jìn)行三維建模后，對模型進(jìn)行離散，選用8 節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行精細(xì)的手動網(wǎng)格劃分，軸承內(nèi)外接觸面則選用8 點(diǎn)接觸單元，應(yīng)用拉格朗日算法計(jì)算接觸。由于在實(shí)際生產(chǎn)中鋼包回轉(zhuǎn)臺工況較多，受力情況復(fù)雜，文章選取鋼包回轉(zhuǎn)臺最危險(xiǎn)工況，即一邊重包一邊空載，進(jìn)行加載計(jì)算。

圖1 為回轉(zhuǎn)軸承mises 應(yīng)力場云圖，由計(jì)算結(jié)果可知，mises 應(yīng)力成片狀分布，內(nèi)外圈外部應(yīng)力水平較低，內(nèi)外圈接觸處mises 應(yīng)力達(dá)到最大值191MPa。圖5 為回轉(zhuǎn)軸承鉛垂方向應(yīng)力場云圖，有計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)外圈外部應(yīng)力水平基本相同，內(nèi)外圈接觸處達(dá)到最大應(yīng)力值192 MPa。圖2 為回轉(zhuǎn)軸承合成位移場云圖。由結(jié)果可知各位移場大體上呈對稱分布。

圖1 mises 應(yīng)力場云圖

為了描述關(guān)鍵部位應(yīng)力的變化，選取回轉(zhuǎn)軸承外圈外沿上周，接觸處外沿上周和內(nèi)沿上周，回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈接觸處外沿下周，內(nèi)沿上周和下周進(jìn)行取值6 點(diǎn)進(jìn)行描繪應(yīng)力曲線。

圖2 合成位移場云圖

圖3 為1 點(diǎn)周向應(yīng)力曲線，取回轉(zhuǎn)軸承俯視圖y 軸方向最大值處為零點(diǎn)，方向?yàn)轫槙r針方向。1 點(diǎn)軸向應(yīng)力曲線的有兩個高應(yīng)力峰值區(qū)和兩個低應(yīng)力低谷區(qū)，且在該計(jì)算工況下，外圈外沿上周的應(yīng)力分布基本上是沿回轉(zhuǎn)軸承俯視圖y 軸對稱的。圖4、圖5 為回轉(zhuǎn)軸承外圈接觸處外沿上周和內(nèi)沿上周周向應(yīng)力曲線，取回轉(zhuǎn)軸承俯視圖y 軸方向最大值處為零點(diǎn)，方向?yàn)轫槙r針方向。由這兩處周向應(yīng)力的曲線可知，左右半圈應(yīng)力分布趨勢相同，呈正旋曲線分布，但右半圈應(yīng)力峰值明顯高區(qū)左半圈應(yīng)力峰值。圖6 為回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈接觸處外沿下周周向應(yīng)力曲線，取回轉(zhuǎn)軸承俯視圖y 軸方向最大值處為零點(diǎn)，方向?yàn)轫槙r針方向。有軸向應(yīng)力曲線可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在左半圈中間處，左半圈應(yīng)力水平較低。圖7 為回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈內(nèi)沿上周周向應(yīng)力曲線，取回轉(zhuǎn)軸承俯視圖y 軸方向最大值處為零點(diǎn)，方向?yàn)轫槙r針方向。5 點(diǎn)軸向應(yīng)力曲線的三個峰值對應(yīng)于外圈外沿上周的三個個高應(yīng)力區(qū)，其中兩個位于右半圈，一個位于左半圈，左半圈應(yīng)力曲線成正弦曲線分布。圖8 為回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈內(nèi)沿下周周向應(yīng)力曲線，取回轉(zhuǎn)軸承俯視圖y 軸方向最大值處為零點(diǎn)，方向?yàn)轫槙r針方向。應(yīng)力震蕩明顯，說明應(yīng)力變化復(fù)雜，應(yīng)力曲線出現(xiàn)兩個低應(yīng)力區(qū)兩個高應(yīng)力區(qū)，且高應(yīng)力區(qū)發(fā)生在零點(diǎn)及其對稱點(diǎn)位置附近，低應(yīng)力區(qū)發(fā)生在左右半圈的中間位置。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

2 結(jié) 語

從150 噸鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸承的有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)的公式計(jì)算是很難以精確的反應(yīng)出鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸承的應(yīng)力應(yīng)變分布情況的，采用三維真實(shí)建模，采用幾何非線性和接觸的ANSYS 有限元軟件計(jì)算可以得到可靠的結(jié)果。從應(yīng)力應(yīng)變云圖可以看出軸向載荷對鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)支承的影響較大，徑向載荷引起的應(yīng)變較小。