費(fèi)國勝,王會(huì)中,杜雨軒
大型鋼錠澆鑄輔助平臺(tái)設(shè)計(jì)及ANSYS分析
費(fèi)國勝,王會(huì)中,杜雨軒
(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,四川 德陽 618000)
針對(duì)煉鋼廠的場地情況和設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了一種用于澆鑄大型鋼錠的中注管的安裝與維護(hù)輔助平臺(tái)。首先提出了輔助平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案,然后采用SolidWorks軟件對(duì)輔助平臺(tái)進(jìn)行了三維建模,詳細(xì)介紹了機(jī)架、升降平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)平臺(tái)和伸縮平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以及升降平臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),最后將關(guān)鍵部位模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行了靜力學(xué)分析,分析表明,設(shè)計(jì)的輔助平臺(tái)強(qiáng)度和鋼度均滿足使用要求。該輔助平臺(tái)可同時(shí)對(duì)兩個(gè)中注管進(jìn)行安裝和維護(hù),集升降、翻轉(zhuǎn)折疊和伸縮等功能于一體,具有很好的穩(wěn)定性和安全性,可降低施工難度和勞動(dòng)強(qiáng)度,有效保證施工精度和效率。
鋼錠;輔助平臺(tái);SolidWorks;ANSYS
鋼錠是制造各種鋼材的原材料。煉鋼廠的主要任務(wù)就是將鋼水脫硫、脫磷、脫碳和脫氧合金化,然后將鋼水澆鑄成鋼錠。鋼錠澆鑄工藝中,按鋼水進(jìn)入鋼錠模的方位分為上注和下注,上注是指由盛鋼桶流出的鋼水從上部直接注入單支鋼錠模,下注是指由盛鋼桶流出的鋼水經(jīng)中注管和流鋼磚從下部同時(shí)注入多支鋼錠模。下注需要使用中注管,中注管是下注時(shí)安放于底板中央用以從下部向多支鋼錠模注入鋼水的輔助澆鑄工具[1],比鋼錠模高200~300 mm,由鑄鐵外殼、漏斗磚、中注管磚和石英砂組合而成。中注管的組裝關(guān)鍵在于中注管磚的組裝和石英砂的填充,其安裝效果將嚴(yán)重影響鋼錠的澆鑄效果。
某煉鋼廠擬新建一個(gè)澆鑄大型鋼錠的下注坑,為了提高澆鑄效率,下注坑需要通過兩個(gè)中注管一次性澆鑄出四個(gè)大型鋼錠。澆鑄大型鋼錠所使用的中注管比較高,而每塊中注管磚的高度約為270 mm左右,故需要數(shù)十塊中注管磚疊加在一起組成中注管的內(nèi)襯。常規(guī)中注管的組裝方法對(duì)于大型中注管的安裝和維護(hù)難度較大,且不能保證安裝精度,所以煉鋼廠想要在下注坑旁的地面上設(shè)計(jì)安裝一個(gè)輔助平臺(tái),用以解決中注管的安裝和維護(hù)問題。
本文針對(duì)煉鋼廠的場地情況和設(shè)計(jì)要求,提出了輔助平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案,采用SolidWorks進(jìn)行了輔助平臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),最后使用ANSYS對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析。
煉鋼廠擬在廠房地面挖掘一個(gè)深坑來新建下注坑,下注坑長15 m、寬5 m、深2 m,輔助平臺(tái)安裝在下注坑旁的地面上,需要留出可供人正常行走的過道,此外,輔助平臺(tái)還需要滿足以下設(shè)計(jì)要求:①能同時(shí)對(duì)兩個(gè)中注管進(jìn)行安裝和維護(hù);②能在不同高度位置對(duì)中注管的安裝和維護(hù)進(jìn)行操作;③能折疊收納,不影響鋼錠澆鑄過程;④輔助平臺(tái)因需承載操作工人及待安裝的中注管磚的重量,所以結(jié)構(gòu)上要保證強(qiáng)度和剛度。
輔助平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。
圖1 輔助平臺(tái)設(shè)計(jì)方案
根據(jù)下注坑的尺寸和鋼錠模的大小,在下注坑內(nèi)部選定兩個(gè)安裝中注管的位置,每個(gè)中注管連接兩個(gè)鋼錠模,可用于澆鑄兩個(gè)大型鋼錠,保證該下注坑可用于四個(gè)大型鋼錠的澆鑄。下注坑旁安裝輔助平臺(tái),用于兩個(gè)中注管的安裝和維護(hù),工人在操作時(shí)需要位于不同的高度位置,因此輔助平臺(tái)首先需要實(shí)現(xiàn)升降功能。中注管的位置離安裝輔助平臺(tái)的位置較遠(yuǎn),故需要設(shè)置一個(gè)懸臂伸出的操作平臺(tái)。輔助平臺(tái)只有在對(duì)中注管進(jìn)行安裝和維護(hù)時(shí)才需要使用,而在澆鑄鋼錠時(shí)輔助平臺(tái)又不能影響鋼錠的澆鑄,所以懸臂伸出的平臺(tái)要能夠旋轉(zhuǎn)或伸縮進(jìn)行折疊收納。
綜上所述,本設(shè)計(jì)方案提出的輔助平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、升降平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)平臺(tái)和伸縮平臺(tái)組成。機(jī)架固定在下注坑一側(cè)的地面上,與下注坑邊緣留出一定的距離來設(shè)置過道。升降平臺(tái)能夠沿著機(jī)架上的導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng),可在行程范圍內(nèi)的任意位置停留。翻轉(zhuǎn)平臺(tái)與升降平臺(tái)通過鉸鏈連接,可隨升降平臺(tái)一起升降和相對(duì)升降平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),使翻轉(zhuǎn)平臺(tái)可收攏到機(jī)架內(nèi)或展開到與升降平臺(tái)水平的位置,以便于空出澆鑄操作空間。伸縮平臺(tái)放置于翻轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)部,可向外伸出翻轉(zhuǎn)平臺(tái)或收納到翻轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)部,能夠擴(kuò)大操作范圍,降低操作難度。共設(shè)置有四個(gè)伸縮平臺(tái),每個(gè)中注管旁設(shè)置兩個(gè)伸縮平臺(tái),可提高中注管的安裝和維護(hù)質(zhì)量和效率。
按照設(shè)計(jì)方案,采用SolidWorks對(duì)輔助平臺(tái)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)建模[3],其整體結(jié)構(gòu)的三維模型如圖2所示,其中機(jī)架包含有升降平臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)以及對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行安裝和維護(hù)的上層平臺(tái)。機(jī)架與地面固定,在其頂面安裝升降傳動(dòng)系統(tǒng),采用電動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)。翻轉(zhuǎn)平臺(tái)與升降平臺(tái)通過鉸鏈連接,采用液壓推動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伸縮平臺(tái)的連接支架與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)部固定連接,采用液壓推動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)伸縮平臺(tái)的伸縮運(yùn)動(dòng),四個(gè)伸縮平臺(tái)可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng),可根據(jù)實(shí)際情況靈活操作。
圖2 輔助平臺(tái)展開狀態(tài)
當(dāng)需要對(duì)中注管進(jìn)行安裝或維護(hù)時(shí),通過啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)平臺(tái)和伸縮平臺(tái)的液壓推桿使輔助平臺(tái)處于展開狀態(tài),如圖2所示,通過傳動(dòng)系統(tǒng)使升降平臺(tái)處于合適的高度位置,工人即可去到中注管所在的位置對(duì)其進(jìn)行安裝或維護(hù),升降平臺(tái)可根據(jù)需要帶著翻轉(zhuǎn)平臺(tái)和伸縮平臺(tái)停留在任意高度位置。當(dāng)需要澆鑄鋼錠時(shí),通過啟動(dòng)翻轉(zhuǎn)平臺(tái)和伸縮平臺(tái)的液壓推桿使輔助平臺(tái)處于收攏狀態(tài),如圖3所示,即可使輔助平臺(tái)不影響鋼錠的澆鑄過程。
圖3 輔助平臺(tái)收攏狀態(tài)
機(jī)架主體采用型材,例如H型鋼、槽鋼、角鋼等焊接而成,考慮整體加工、運(yùn)輸和安裝的便捷性,將機(jī)架整體分為了幾個(gè)部件單獨(dú)焊接,然后再通過螺栓連接的形式在現(xiàn)場進(jìn)行組裝。機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮承載能力,并通過有限元分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在機(jī)架頂部設(shè)置升降平臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng),考慮安裝和維護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)的便捷性,在機(jī)架上還設(shè)置了方便工人站著對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行操作的平臺(tái)。
能夠?qū)崿F(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有很多,比如絲桿螺母機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、剪叉式升降機(jī)構(gòu)和鏈條式升降機(jī)構(gòu)等[4],綜合考慮成本、加工難度、效率等因素,本方案采用鏈條式升降機(jī)構(gòu)[5],其具有結(jié)構(gòu)簡單、承載大、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。由于升降平臺(tái)長度尺寸較大,需要在平臺(tái)的四個(gè)角端設(shè)置與鏈條的連接點(diǎn),并且需要考慮這四個(gè)連接點(diǎn)升降過程的同步問題。本方案采用機(jī)械同步的方式,由一個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力,通過傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四個(gè)連接點(diǎn)的同步運(yùn)動(dòng)。
傳動(dòng)原理如圖4所示,電機(jī)放置于機(jī)架頂端中間位置,經(jīng)過螺旋錐齒輪轉(zhuǎn)向箱進(jìn)行第一次減速后將動(dòng)力向左右兩側(cè)分流,兩側(cè)為對(duì)稱結(jié)構(gòu),通過傳動(dòng)軸將動(dòng)力輸入蝸桿蝸輪減速器進(jìn)行第二次減速,然后將動(dòng)力向前后兩側(cè)傳送到機(jī)架頂端的四個(gè)鏈輪上,四個(gè)鏈輪分別作為四組鏈傳動(dòng)的主動(dòng)鏈輪,從動(dòng)鏈輪放置于主動(dòng)鏈輪對(duì)應(yīng)的機(jī)架下端,鏈條的一條邊斷開后與升降平臺(tái)連接,主動(dòng)鏈輪帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)使升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。在靠近翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的兩組鏈傳動(dòng)增加配重,即這兩處的鏈條一邊與升降平臺(tái)連接,另一邊與配重連接,配重與升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向相反,通過配重能夠減小升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)需要的扭矩,從而減小電動(dòng)機(jī)的功率和尺寸。
圖4 升降臺(tái)傳動(dòng)原理圖
升降平臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示,主體采用型材焊接,上面鋪設(shè)花紋鋼板,升降平臺(tái)還設(shè)置有與升降傳動(dòng)系統(tǒng)鏈條的連接結(jié)構(gòu)、與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的連接結(jié)構(gòu)以及升降運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向裝置。在升降平臺(tái)左右兩端共設(shè)置八個(gè)與鏈條的連接點(diǎn),通過將鏈條斷開后把銷穿過鏈條和連接接頭的方式進(jìn)行連接,從而使鏈條運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。在升降平臺(tái)前側(cè)共設(shè)置六個(gè)鉸鏈座,通過鉸接方式與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)連接,從而使翻轉(zhuǎn)平臺(tái)能夠繞鉸鏈點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。
鏈條屬于柔性部件,采用鏈條式升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)升降平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)容易發(fā)生晃動(dòng),為了保證升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性,在升降平臺(tái)上設(shè)置有導(dǎo)向裝置,如圖5所示,導(dǎo)向裝置由機(jī)架上的導(dǎo)軌和升降平臺(tái)上的導(dǎo)輪組配合構(gòu)成。在機(jī)架兩端的四個(gè)角落處共設(shè)置有四根導(dǎo)軌,在升降平臺(tái)兩端角落上下位置共設(shè)置八個(gè)導(dǎo)輪組與導(dǎo)軌接觸,每個(gè)導(dǎo)輪組由兩個(gè)導(dǎo)輪A和一個(gè)導(dǎo)輪B組成,兩個(gè)導(dǎo)輪A與導(dǎo)軌的兩側(cè)面滾動(dòng)接觸,可以對(duì)升降平臺(tái)進(jìn)行寬度方向的導(dǎo)向和限位,導(dǎo)輪B與導(dǎo)軌的頂面滾動(dòng)接觸,可以對(duì)升降平臺(tái)進(jìn)行長度方向的導(dǎo)向和限位,使得升降平臺(tái)只剩下高度方向的自由度,從而保證升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)安全平穩(wěn)。
圖5 升降平臺(tái)及導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)
翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)以及和升降平臺(tái)的連接方式如圖6所示,翻轉(zhuǎn)平臺(tái)整體采用型材焊接,上面鋪設(shè)花紋鋼板,翻轉(zhuǎn)平臺(tái)上部設(shè)置耳板,與升降平臺(tái)通過鉸鏈連接,可繞連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn),采用液壓推桿推動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)收納功能,翻轉(zhuǎn)平臺(tái)下部設(shè)置緩沖限位裝置,可以對(duì)翻轉(zhuǎn)平臺(tái)展開至水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行限位。翻轉(zhuǎn)平臺(tái)長度與升降平臺(tái)一致,沿長度方向布置四個(gè)伸縮平臺(tái),分別對(duì)應(yīng)到兩個(gè)中注管的位置上,翻轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)部空出空間,用于安裝伸縮平臺(tái),使得伸縮平臺(tái)可以縮回收納到翻轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)部。
圖6 翻轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)
根據(jù)煉鋼廠的場地布置要求,伸縮平臺(tái)需伸出的長度較長,為保證伸出時(shí)的強(qiáng)度和剛度,本方案采用兩級(jí)伸縮結(jié)構(gòu)。如圖7所示。
圖7 伸縮平臺(tái)結(jié)構(gòu)
伸縮平臺(tái)由連接支架、滑軌和滑動(dòng)平臺(tái)組成,滑動(dòng)平臺(tái)上鋪設(shè)花紋鋼板,連接支架固定在翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的內(nèi)部,滑軌可以在連接支架的槽內(nèi)滑動(dòng),滑動(dòng)平臺(tái)可以在滑軌上滑動(dòng)。液壓推桿與滑動(dòng)平臺(tái)連接,液壓推桿帶動(dòng)滑動(dòng)平臺(tái)伸縮時(shí)滑軌會(huì)隨之伸縮,兩級(jí)伸縮通過機(jī)械結(jié)構(gòu)共享一個(gè)液壓推桿作為動(dòng)力,滑動(dòng)平臺(tái)伸出到達(dá)最遠(yuǎn)位置時(shí)滑軌伸出到達(dá)滑動(dòng)平臺(tái)中部位置,對(duì)滑動(dòng)平臺(tái)起到支撐作用。伸縮平臺(tái)擴(kuò)大了工人的操作空間,降低了工作難度,從而保證中注管的安裝和維護(hù)的質(zhì)量,提高工作效率。
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的輔助平臺(tái)結(jié)構(gòu)上是否合理,在完成三維模型后應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)一些關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析。首先對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析,以驗(yàn)證機(jī)架結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度和剛度條件[7]。在ANSYS中建立靜力學(xué)分析項(xiàng)目,導(dǎo)入機(jī)架三維模型,定義所有零件材料為Q345,材料屬性:泊松比0.3、彈性模量206 GPa、密度7850 kg/m3、屈服強(qiáng)度345MPa,采用自由網(wǎng)格劃分,得到節(jié)點(diǎn)數(shù)241801、單元數(shù)84740,將機(jī)架下端與地面連接的端面固定,考慮除機(jī)架外所有部件的重量以及平臺(tái)上的載重情況,在機(jī)架頂端支撐鏈輪的幾個(gè)面施加豎直向下的合力50000 N,設(shè)置重力加速度為9.8 m/s2,求解得到應(yīng)力和位移云圖,如圖8、圖9所示。
圖8 機(jī)架應(yīng)力云圖
圖9 機(jī)架位移云圖
從圖8可知,機(jī)架最大應(yīng)力為110.3 MPa,位于機(jī)架頂端鏈輪支撐處。從圖9可知,機(jī)架最大總變形量為2.66 mm,位于機(jī)架頂端中部。機(jī)架最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度,總變形量相對(duì)于機(jī)架的尺寸來說基本可以忽略不計(jì),所以機(jī)架的強(qiáng)度和剛度滿足使用要求。
按照同樣的方法步驟對(duì)伸縮平臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析,以驗(yàn)證伸縮平臺(tái)的結(jié)構(gòu)在處于伸出狀態(tài)時(shí)是否滿足強(qiáng)度和剛度條件。在ANSYS中導(dǎo)入伸縮平臺(tái)三維模型,采用自由網(wǎng)格劃分,得到節(jié)點(diǎn)數(shù)60480,單元數(shù)19712,將連接支架與翻轉(zhuǎn)平臺(tái)連接的端面固定,考慮伸縮平臺(tái)上的載重情況,在伸縮平臺(tái)最前端施加豎直向下的合力10000 N,求解得到應(yīng)力和位移云圖,如圖10、圖11所示。
圖10 伸縮平臺(tái)應(yīng)力云圖
圖11 伸縮平臺(tái)位移云圖
從圖10可知,伸縮平臺(tái)處于伸出狀態(tài)時(shí)的最大應(yīng)力為172.6 MPa,位于伸縮平臺(tái)最前端。從圖11可知,伸縮平臺(tái)處于伸出狀態(tài)時(shí)的最大總變形量為2.5 mm,同樣位于伸縮平臺(tái)最前端。伸縮平臺(tái)最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度,變形量也比較小,所以伸縮平臺(tái)的強(qiáng)度和剛度滿足使用要求。
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于澆鑄大型鋼錠的中注管的安裝與維護(hù)輔助平臺(tái),結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、升降平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)平臺(tái)和伸縮平臺(tái)組成,可以實(shí)現(xiàn)升降、翻轉(zhuǎn)折疊和伸縮功能,滿足煉鋼廠的場地布置要求和使用要求。采用SolidWorks三維軟件對(duì)輔助平臺(tái)進(jìn)行了建模,詳細(xì)介紹了關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并將關(guān)鍵部件模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行了靜力學(xué)分析,分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)的輔助平臺(tái)強(qiáng)度和鋼度均滿足使用要求。
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Design and ANSYS Analysis of the Auxiliary Platform for Large Steel Ingot Casting
FEI Guosheng,WANG Huizhong,DU Yuxuan
( Department of Electromechanical Engineering, Sichuan Engineering Technical College, Deyang 618000,China)
According to the site conditions and design requirements of the steel plant, an auxiliary platform for the installation and maintenance of the central casting pipe for casting large steel ingots is designed. Firstly, the design scheme of the auxiliary platform is proposed, and then the three-dimensional modeling of the auxiliary platform is carried out by using SolidWorks software. The structure design of the frame, lifting platform, turnover platform and telescopic platform, as well as the transmission system design of the lifting platform are introduced in detail. Finally, the key parts of the model are imported into ANSYS for static analysis. The analysis shows that the strength and rigidity of the auxiliary platform meet the use requirements. The auxiliary platform can install and maintain two central casting pipes at the same time. It integrates the functions of lifting, turning, folding and stretching. With good stability and safety, it can reduce the construction difficulty and labor intensity and ensure the construction accuracy and efficiency.
ingot;auxiliary platform;SolidWorks;ANSYS
TH122
A
10.3969/j.issn.1006-0316.2020.10.004
1006-0316 (2020) 10-0022-06
2020-04-15
四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院專項(xiàng)項(xiàng)目(YJ2019KJ-10)
費(fèi)國勝(1987-),男,四川樂山人,碩士,講師,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造,E-mail:fgszlq123@163.com。