7 m 焦爐攔焦車取門裝置有限元分析

楊 琦

（1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024）

引言

攔焦車運行于焦爐焦側(cè)軌道上，主要功能之一是開閉焦爐焦側(cè)炭化室爐門，待焦炭成熟后，由焦爐機側(cè)的推焦車將焦炭推出炭化室，通過攔焦車的導焦柵將紅焦導入熄焦車或焦罐內(nèi)。

取門裝置是攔焦車的關(guān)鍵部件之一[1]，爐門開閉需要取門裝置有精準的定位，其前部在掛取爐門時會承受較大的載荷，一旦取門裝置因結(jié)構(gòu)強度不足發(fā)生變形，會存在爐門開閉困難甚至爐門掉落的風險。因其結(jié)構(gòu)復雜，利用傳統(tǒng)的數(shù)學模型和力學方法很難進行準確的力學分析和校核，大多數(shù)設(shè)計人員往往將其簡化，雖能大致計算出取門裝置的整體剛度及強度，但對于關(guān)鍵位置的局部應(yīng)力就很難計算出來。近年來隨著焦爐攔焦車向輕量化、智能化發(fā)展，更高的安全需求被提出，因此需要采用更精確的計算方法。本文以此為出發(fā)點，以某7 m 焦爐攔焦車取門裝置為案例，研究了取門裝置在極限工況下整體和關(guān)鍵部位的力學性能，并分析了取門裝置最大變形和應(yīng)力分布狀況，為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化減重及安全性能提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

1 取門裝置的組成及原理

取門裝置主要由取門機、旋轉(zhuǎn)架、取門臺車、軌道架、S 軌道、驅(qū)動油缸等組成。如圖1 所示，取門機與旋轉(zhuǎn)架相連，用于掛取炭化室爐門，旋轉(zhuǎn)架與取門臺車通過旋轉(zhuǎn)軸承連接。

其工作原理為[2]：取爐門時，取門臺車在驅(qū)動油缸的推動下帶動旋轉(zhuǎn)架和取門機在軌道架上運動，同時設(shè)置在旋轉(zhuǎn)架下部的滾輪沿著S 軌道的路徑運動，旋轉(zhuǎn)架和取門機的運動形式為前進和旋轉(zhuǎn)的合成。待旋轉(zhuǎn)架下部滾輪脫離S 軌道范圍后，取門臺車在驅(qū)動油缸的推動下帶動旋轉(zhuǎn)架和取門機繼續(xù)前進，到達取門位置后操作取門機將爐門掛在取門機上下兩個掛鉤上將爐門取下。此時取門裝置伸出最遠，旋轉(zhuǎn)架和取門機較初始位置旋轉(zhuǎn)90°，且整體受到爐門的載荷，處于極限位置（取門旋轉(zhuǎn)架90°工況）。隨后驅(qū)動油缸縮回，各機構(gòu)運動過程與油缸伸出過程相反，待驅(qū)動油缸縮回到位后，旋轉(zhuǎn)架和取門機帶動爐門旋轉(zhuǎn)90°回到初始極限位置（取門旋轉(zhuǎn)架0°工況）。

2 分析模型的建立

根據(jù)7m焦爐攔焦車取門裝置零部件圖，在有限元分析軟件中建立了取門裝置三維實體模型，如圖2 所示。

利用有限元分析軟件，分別對取門裝置中各部件采用四面體十節(jié)點進行網(wǎng)格劃分，油缸、軸采用1D beam 單元模擬，螺栓連接采用剛性連桿單元模擬，單元總數(shù)為447 526，節(jié)點總數(shù)為904 954，兩種工況下的有限元分析模型分別如圖3、圖4 所示。

3 有限元分析計算

在建立的有限元分析模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工況和各類參數(shù)，對取門裝置整體及關(guān)鍵部位在極限工況下的變形量和應(yīng)力進行分析計算[3]。

3.1 材料的力學性能

7 m 焦爐攔焦車取門裝置主體材料為Q235B，其力學性能如表1 所示。

表1 Q235B 力學性能

3.2 載荷工況及邊界約束條件

7 m 焦爐攔焦車取門裝置取門機所承受的載荷為10 t，方向為豎直向下。取門臺車軌道架采用固定約束，臺車上部油缸支座處施加沿臺車長度方向平動自由度。取門機結(jié)構(gòu)擺動架與滑動架之間采用接觸算法、取門臺車架與車輪、取門臺車架與側(cè)導向輥輪之間采用接觸算法。取門旋轉(zhuǎn)架0°工況時，S 軌道底部采用固定約束，導向輥輪與S 軌道之間采用接觸算法。

3.3 有限元分析結(jié)果

圖5、圖6 為取門裝置取門旋轉(zhuǎn)架90°工況時的位移云圖以及Von Mises 等效應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在受載10 t 時，整體最大X 向位移為17.37 mm，局部最大應(yīng)力為196.71 MPa，出現(xiàn)在取門機滑動架吊鉤處。

圖7、圖8 為取門裝置取門旋轉(zhuǎn)架0°工況時的位移云圖以及Von Mises 等效應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，在受載10 t 時，整體最大Y 向位移為14.45 mm，局部最大應(yīng)力為196.56 MPa，出現(xiàn)在取門機滑動架吊鉤處。

4 結(jié)語

本文應(yīng)用有限元分析軟件對7 m 焦爐攔焦車取門裝置進行有限元分析，能夠直觀、準確地得到取門裝置結(jié)構(gòu)變形情況以及關(guān)鍵零部件的應(yīng)力分布。通過分析結(jié)果可知，在不考慮焊接處疲勞、焊縫初始缺陷的情況下，取門裝置在掛取爐門后，旋轉(zhuǎn)架等部件的最大應(yīng)力未超過材料的許用應(yīng)力值，取門機掛取爐門門鉤處局部應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力值，為進一步優(yōu)化設(shè)計及減重提供了參考依據(jù)。此外，取門機和旋轉(zhuǎn)架會產(chǎn)生一定的變形量，通過對該數(shù)據(jù)的研究可以用于指導取門機實際工作時的姿態(tài)調(diào)整，確保爐門的安全開閉。