尹躍峰，趙大為，韓圣杰，董翠粉

（1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007；2.鄭州宇通客車(chē)股份有限公司，河南鄭州 450061）

0 引言

某鑄鍛車(chē)間的4.5×3.5×3 型室式回火熱處理爐主要用于對(duì)鑄鍛件以及其他零件進(jìn)行回火等熱處理工藝，它由爐體、爐門(mén)及升降系統(tǒng)、助燃風(fēng)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等部分組成，如圖1 所示。

爐門(mén)橫梁作為爐門(mén)及升降系統(tǒng)中的重要部分，是典型的變剛度截面梁結(jié)構(gòu)，在以往的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一直沿用的傳統(tǒng)解析方法需要一系列的假設(shè)，其計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際相差很大，對(duì)其撓度的計(jì)算難以準(zhǔn)確定位，為安全起見(jiàn)，往往對(duì)型鋼的選型過(guò)大[1,2]。本文通過(guò)ANSYS Workbench 有限元分析軟件對(duì)爐門(mén)橫梁進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度分析和研究，旨在為4.5×3.5×3 型室式回火爐門(mén)橫梁的校核及優(yōu)化改進(jìn)方案提供有力的理論依據(jù)，從而準(zhǔn)確掌握部件的應(yīng)力分布規(guī)律，節(jié)約材料、降低制造成本。

1 爐門(mén)橫梁結(jié)構(gòu)及受力分析

圖1 室式回火爐主要結(jié)構(gòu)圖

4.5×3.5×3 型室式回火爐爐門(mén)橫梁由兩根長(zhǎng)度為7 320 mm 的28 號(hào)Q235-A 熱軋型鋼作為主體，縱向分布11 塊加強(qiáng)型鋼通過(guò)焊接而成。爐門(mén)橫梁頂部安裝有爐門(mén)提升裝置，根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，該爐門(mén)橫梁可簡(jiǎn)化為圖2 所示簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型[3]。

圖2 爐門(mén)橫梁受力示意圖

經(jīng)分析計(jì)算，P1力的大小為39 700 N，對(duì)稱作用在距衡量中心1 600 mm 位置處，F(xiàn) 力的大小為1 700 N，l=6.85 m，a=1.825 m。因Q235-A 的彈性模量E=210 GPa，28 號(hào)槽鋼的截面慣性矩I=4 760 cm4，由疊加法可求得爐門(mén)橫梁中點(diǎn)處的撓度f(wàn)max為[3，4]：

由于爐門(mén)橫梁頂部要安裝減速機(jī)提升裝置，為保證水平方向的配合尺寸，需要保證爐門(mén)橫梁豎直方向的變形量要滿足提升裝置中的滾子鏈聯(lián)軸器的技術(shù)要求。由于GL8 滾子鏈聯(lián)軸器允許的偏差為3.8 mm，軸向偏差角度為1°[4]，由前計(jì)算結(jié)果可得，爐門(mén)橫梁的撓度轉(zhuǎn)角θ=1.2°＞1°，該撓度變化超過(guò)GL8 滾子鏈聯(lián)軸器的許用變形量，不符合設(shè)計(jì)要求，因此需要對(duì)爐門(mén)橫梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以使其滿足滾子鏈聯(lián)軸器的使用要求。

3 爐門(mén)橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)及強(qiáng)度分析

3.1 爐門(mén)橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，采用改變橫梁主體槽鋼的型號(hào)的方法對(duì)整體的撓度變形量的改變影響甚微，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在爐門(mén)橫梁下方焊接兩塊10 mm 厚的Q235-A 鋼板作為腹板，增加其整體的剛度，采用SolidWorks 建立的三維模型輪廓圖如圖3所示。

圖3 爐門(mén)橫梁結(jié)構(gòu)圖

3.2 爐門(mén)橫梁強(qiáng)度分析

（1）網(wǎng)格劃分

ANSYS Workbench 對(duì)SolidWorks、Pro/E、UG 等大型CAD 建模軟件能實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)縫聯(lián)接,并在其統(tǒng)一的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各種模型的裝配和CAE 工程分析。ANSYS Workbench 本身可以對(duì)網(wǎng)格劃分進(jìn)行詳細(xì)的優(yōu)化，特別是針對(duì)復(fù)雜不規(guī)則的機(jī)械零件網(wǎng)格模型可以進(jìn)行特殊的優(yōu)化，剔除無(wú)用因素，保留對(duì)結(jié)果起關(guān)鍵作用的因素，符合結(jié)構(gòu)現(xiàn)實(shí)工況的需要[5,6]。由于爐門(mén)橫梁結(jié)構(gòu)并不是特別復(fù)雜，采用智能劃分完全能滿足工程實(shí)際，如圖4 所示，這里采用Solid187 實(shí)體單元對(duì)爐門(mén)橫梁模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分為26 144 個(gè)單元，51 871 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 爐門(mén)橫梁FEA 網(wǎng)格模型

（2）載荷與約束的添加

爐門(mén)橫梁兩端與爐門(mén)立柱通過(guò)焊接的方式固定在一起，爐門(mén)提升機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，橫梁所受的載荷達(dá)到最大，在ANSYS Workbench 中對(duì)橫梁兩端添加固定約束。由前分析，將垂直于橫梁表面豎直向下的力P1=39 700 N、力F=1 700 N 分別添加到提升機(jī)構(gòu)支架、減速機(jī)支架與橫梁的接觸區(qū)域。

（3）強(qiáng)度分析結(jié)果

爐門(mén)橫梁的材料為Q235A 型鋼及鋼板焊接而成，此類低碳鋼結(jié)構(gòu)失效的形式一般因塑性屈服而失效，因此在做數(shù)值分析時(shí)要選擇Von Mises 等效應(yīng)力作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的判斷標(biāo)準(zhǔn)[5]。在ANSYS Workbench 中對(duì)星形架的各個(gè)支臂施加約束，并按照極限工況添加載荷后計(jì)算，獲得的結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 爐門(mén)橫梁等效應(yīng)力云圖

圖6 爐門(mén)橫梁變形云圖

從圖5、6 可以看出，當(dāng)爐門(mén)提升機(jī)構(gòu)處于工作狀態(tài)時(shí)，承受的工作載荷達(dá)到最大，此時(shí)爐門(mén)橫梁的等效應(yīng)力和變形均達(dá)到最大值。最大等效應(yīng)力為79.434 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235-A 型鋼材料的屈服強(qiáng)度。從圖6 可看出爐門(mén)橫梁的跨中撓度為2.8 746 mm，此時(shí)爐門(mén)橫梁的撓度轉(zhuǎn)角為0.048°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GL8 滾子鏈聯(lián)軸器允許的軸向偏差角度1°，由設(shè)計(jì)要求知，此時(shí)爐門(mén)橫梁的跨中撓度變形符合GL8 滾子鏈聯(lián)軸器的使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)爐門(mén)提升機(jī)構(gòu)以往傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中靠單純?cè)龃笮弯撔吞?hào)而剛度變化不大的現(xiàn)象，采用增加腹板的方式來(lái)減小爐門(mén)橫梁的撓度，并運(yùn)用ANSYS Workbench 對(duì)改進(jìn)后回火爐的爐門(mén)橫梁模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，獲得其應(yīng)力與應(yīng)變的分布情況，可知增加腹板可大大增強(qiáng)爐門(mén)橫梁的剛度。

（2）改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)滿足爐門(mén)提升機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求，撓度變化在許用范圍之內(nèi)，為以后同類型的爐型設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)和參考價(jià)值。

[1]李志剛，賈慧芳，羅強(qiáng)，等.基于ANSYS 的大型回轉(zhuǎn)窯及其支承件結(jié)構(gòu)分析[J].礦山機(jī)械，2014，42（8）：104-107.

[2]周賢.回轉(zhuǎn)窯輪帶受力模型及接觸應(yīng)力仿真分析[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，33（5）：526-529.

[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[5]黃國(guó)權(quán).有限元法基礎(chǔ)及ANSYS 應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]許京荊.ANSYS 13.0 Workbench 數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.3.