熊瑩，陳德勇(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201999)

基于有限元法的鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座強(qiáng)度及回轉(zhuǎn)軸承失效分析

熊瑩，陳德勇
(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201999)

回轉(zhuǎn)臺(tái)底座是連鑄鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備中重要的結(jié)構(gòu)件，其強(qiáng)度高低直接決定著整臺(tái)設(shè)備的好壞以及回轉(zhuǎn)軸承壽命長(zhǎng)短;結(jié)合項(xiàng)目中所遇到的問題，通過Inventor三維建模，以及有限元ABAQUS分析軟件進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得出了鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在不同工況情況下的底座的應(yīng)力和變形量分布，進(jìn)而對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座及軸承結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，并進(jìn)行優(yōu)化;分析軸承破壞的主要原因，為設(shè)備的改造方向提供理論依據(jù)。

回轉(zhuǎn)臺(tái)底座;回轉(zhuǎn)軸承;三維建模

0　前言

是連鑄車間的重要鋼包支撐及承運(yùn)設(shè)備，通常布置于連鑄車間的鋼水接受跨和連鑄澆注跨之間。鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)通過固定方向旋轉(zhuǎn)180°，承接來自煉鋼車間的滿載鋼水的鋼包，并從待包位運(yùn)送至澆鑄位澆鑄，同時(shí)將澆鑄完鋼水的空鋼包從澆注位回送至待包位并等待接收下一包鋼水;鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)所承受的工況載荷復(fù)雜、環(huán)境惡劣，整個(gè)過程中鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)所承受的載荷包括有對(duì)稱載荷、非對(duì)稱載荷、回轉(zhuǎn)臺(tái)傾翻力矩載荷，同時(shí)，在回轉(zhuǎn)臺(tái)受包和旋轉(zhuǎn)的過程中存在沖擊載荷，故需要求鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的工作過程絕對(duì)可靠。

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座作為回轉(zhuǎn)平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)，承載著上部旋轉(zhuǎn)體、鋼包及鋼包中的鋼液，底座結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度直接決定著整臺(tái)設(shè)備的安全性及與其所連接的回轉(zhuǎn)軸承的壽命，而在設(shè)計(jì)過程中，往往由于鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而忽視對(duì)其強(qiáng)度的全面分析;鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在設(shè)計(jì)的過程中必須對(duì)其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及所有的動(dòng)力特性、沖擊載荷進(jìn)行全面分析以確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。

本文根據(jù)某鋼鐵廠2#連鑄機(jī)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的更換軸承的改造項(xiàng)目，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)支承軸承的失效原因進(jìn)行分析，運(yùn)用軟件Inventor對(duì)每個(gè)零部件的三維實(shí)體建模，并完成結(jié)構(gòu)組裝圖，通過Inventor和ABAQUS的數(shù)據(jù)接口，將在Inventor中建立的幾何模型導(dǎo)入到ABAQUS中建立有限元分析模型，最后通過ABAQUS軟件對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座及回轉(zhuǎn)軸承進(jìn)行了靜應(yīng)力分析，同時(shí)對(duì)回轉(zhuǎn)軸承進(jìn)行了疲勞分析，獲得了對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座和回轉(zhuǎn)軸承在不同工況下的工作時(shí)的應(yīng)力、變形量的全面認(rèn)識(shí)。

1　幾何模型建模及有限元分析

鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在不同工況條件下工作時(shí)，其回轉(zhuǎn)臺(tái)底座所承受的工況載荷也不同，為此需對(duì)每種工況下的鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座進(jìn)行分析，回轉(zhuǎn)臺(tái)底座由不同厚度的鋼板焊接成，鋼板材料及機(jī)械性能見表1。

該鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)在不同的工況條件下，底座所承受的力和力矩情況見表2。動(dòng)載荷系數(shù)k =1.4。

表1　回轉(zhuǎn)臺(tái)底座鋼板材料及機(jī)械性能Tab.1 Materials and mechanical properties of ladle turret base plate

表2　鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座受力狀況Table 2 Force status of ladle turret base

1.1三維模型建立

根據(jù)該鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座圖紙，在Inventor中創(chuàng)建三維零件模型，并組裝各個(gè)零部件，得到整體結(jié)構(gòu)，底座的每個(gè)零部件均通過焊接方式連接;回轉(zhuǎn)軸承通過M40的高強(qiáng)螺栓聯(lián)接，三維實(shí)體模型如下圖1所示。

圖1　鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座三維模型Fig.1 Three-dimensional of ladle turret base

1.2有限元分析模型建立

通過Inventor與ABAQUS的數(shù)據(jù)接口，將鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座及回轉(zhuǎn)軸承的三維模型導(dǎo)入到ABAQUS中，由于焊接區(qū)域存在較多的焊縫，且焊縫區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)晶相組織及應(yīng)力情況發(fā)生變化，在此不予考慮，并將鋼結(jié)構(gòu)焊接區(qū)域看做是完好聯(lián)接區(qū)域。

根據(jù)實(shí)際需要以及事先對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位的分析，在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)力比較集中部位的采用較稠密的網(wǎng)格，對(duì)強(qiáng)度比較高的部位采用較粗的網(wǎng)格，以達(dá)到既能減小計(jì)算規(guī)模又能更加精確計(jì)算的結(jié)果;本次利用ABAQUS軟分析，反復(fù)多次的修改網(wǎng)格，最終整體共劃分出578 622個(gè)單元數(shù)，1 314 576個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)(軸承單元數(shù)劃分相對(duì)密集，底座單元數(shù)劃分相對(duì)稀疏)。

2　邊界條件確定及模型計(jì)算分析

2.1邊界條件確定

在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座是通過底面的法蘭面上的90個(gè)地腳螺栓與鋼筋混凝土相連接，在模型分析中，將通過給底面添加固定約束，即約束底面的6個(gè)自由度。在模型建立過程中，由于回轉(zhuǎn)軸承保持架及密封件為輔助元件，對(duì)整個(gè)模型的分析影響較小，此處在建模分析的過程中將忽略。

2.2模型計(jì)算分析

通過ABAQUS軟件分析可得，在工況I下，整個(gè)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座結(jié)構(gòu)的最大Mises等效應(yīng)力及出現(xiàn)的部位及最大變形量區(qū)域如圖2所示;在工況II下，最大Mises等效應(yīng)力及出現(xiàn)的部位及最大變形量出現(xiàn)位置如圖3所示;在工況III下，最大Mises等效應(yīng)力及出現(xiàn)部位及最大變形量出現(xiàn)位置如圖4所示。

圖2　工況I底座等效應(yīng)力和變形Fig.2 Condition Iequivalent stress and deformation of base

圖3　工況II底座等效應(yīng)力和變形Fig.3 Condition IIequivalent stress and deformation of base

圖4　工況III底座等效應(yīng)力和變形Fig.4 Condition IIIequivalent stress and deformation of base

各部件的最大應(yīng)力最大變形量及所在部位如表3所示。

鋼包回裝臺(tái)底座在工況II(最具有破壞性的工況)下的最大Mises等效應(yīng)力為314 MPa，出現(xiàn)在底座內(nèi)部的筋板上部，實(shí)際情況中，底座筋板在先進(jìn)的焊接工藝下，其應(yīng)力水平將大大低于該數(shù)值;回轉(zhuǎn)軸承在工況II下最大的接觸應(yīng)力為2 610 MPa，出現(xiàn)在彎矩所在平面下滾柱外側(cè)邊緣，根據(jù)相關(guān)資料［1］得到，當(dāng)滾柱直徑大于25 mm時(shí)，許用接觸應(yīng)力大于2 999 MPa。從本次分析結(jié)果看，最大變形量為6.297 mm，出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)軸承外圈。

表3　最大應(yīng)力、最大變形量及所在部位Tab.3 Themaximum stress，deformation and their sites of base

3　回轉(zhuǎn)軸承壽命分析

根據(jù)滾動(dòng)軸承的載荷與壽命關(guān)系式可得:

Pζ·N=K(常數(shù))

式中，P為當(dāng)量動(dòng)載荷;N為軸承基本額定壽命;ζ為指數(shù)，球軸承為3，滾子軸承為

選擇工況II載荷進(jìn)行理論壽命計(jì)算，得出計(jì)算出額定壽命N約為3.3×104r，根據(jù)該鋼鐵公司2#連鑄機(jī)的作業(yè)率，一天平均近20轉(zhuǎn)計(jì)算，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的使用壽命為4.7年(保守估算)。在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)軸承由于失效卡死而不得不每隔2～3年更換一次。

4　底座優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)以上分析結(jié)果，對(duì)鋼包回裝臺(tái)底座進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，將底座內(nèi)側(cè)筋板延長(zhǎng)至上部法蘭下邊緣，同時(shí)，底座外側(cè)增加三角筋板，加大相關(guān)筋板厚度，并在應(yīng)力可能集中部位進(jìn)行倒角和相應(yīng)處理，避免應(yīng)力集中。優(yōu)化后的應(yīng)力及變形量大小和發(fā)生部位云圖如圖5所示。應(yīng)力2 458 MPa，變形6.538 mm。

圖5　底座等效應(yīng)力和變形Fig.5 Equivalent stress and deformation of base

5　結(jié)束語

通過有限元軟件對(duì)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)底座及回裝軸承進(jìn)行分析，得出了回轉(zhuǎn)軸承及底座的應(yīng)力和變形;提出鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸承在承載能力允許的情況下避免加速破壞的主要方法是延長(zhǎng)機(jī)件磨損準(zhǔn)則曲線中的中間段，即延長(zhǎng)穩(wěn)定磨損期;為回轉(zhuǎn)軸承改造及維護(hù)和保養(yǎng)提供了指導(dǎo)。

［1］沈偉毅，史錫光，蘇立樾，等．42CrMo鋼制轉(zhuǎn)盤軸承許用接觸應(yīng)力的試驗(yàn)研究［J］．軸承，2009 (2):34－36．

［2］孫亞斌．三排圓柱滾子回轉(zhuǎn)軸承壽命的計(jì)算方法［J］．起重運(yùn)輸機(jī)械，2000(1)．

［3］葉永祥．連鑄鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸承故障分析［J］．冶金設(shè)備，2008(4)．

［4］劉俊日，孟廣兵．鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)臂沖擊系數(shù)分析［J］．重型機(jī)械，2011(3):45－47．

［5］金光振，范勤，嚴(yán)愛軍，等．鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)地腳螺栓的預(yù)緊力研究［J］．湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(2): 100－102．

［6］閻松葉．鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)支承緊固［J］．科技信息，2010(13)．

［7］呂華強(qiáng)，王黎欽，古樂，等．滾動(dòng)軸承疲勞壽命數(shù)值仿真技術(shù)的研究［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2005 (5)．

［8］張翀宇，崔福龍．鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算［J］．連鑄，2011(1)．

［9］濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)(8版)［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［10］汪永波，劉會(huì)領(lǐng)．大包回轉(zhuǎn)軸承失效原因及對(duì)策［J］．機(jī)械工程師，2011(6)．

［11］李現(xiàn)友，段偉．Inventor有限元分析模塊的實(shí)例應(yīng)用［J］．包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(4)．

Strength analysis of lad le turret base and failure analysis of revolving bearing

XIONG Ying，CHEN De-yong
(BaoSteel Engineering Technology Group，Shanghai201999，China)

Revolving base is a quite important structural part in casting ladle turret equipment，whose strength will directly determine quality of the entire ladle turret device and life of the rotary bearing．According to problems in production，By INVENTOR 3D model and finite element analysis-ABAQUS software，the static strength analysis of the ladle turretbase is done，and the stress and strain distribution in different conditions are obtained．The strength and stiffness of ladle turret base and bearing are analyzed，and the structure is optimized，themain reason of bearing damage is found，it provides the theory basis to reform equipment．

ladle turret base;revolving bearing;3Dmodel

TF341.6

A

1001－196X(2015)02－0075－04

2014－10－20;

2014－12－05

熊瑩(1987－)，男，寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司助理工程師。