趙大為，尹躍峰，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 450001; 2.鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450061）

T2853臺車式退火爐車架的靜態(tài)特性分析

趙大為1，尹躍峰1，董翠粉2

（1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450001; 2.鄭州宇通客車股份有限公司，河南鄭州 450061）

臺車車架作為臺車式退火爐的重要組成部分，在承載工件、完成退火處理的過程中發(fā)揮著重要作用。針對車架傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中強(qiáng)度及剛度設(shè)計(jì)往往偏大的現(xiàn)象，采用SolidW orks S imulation有限元分析軟件對T2853臺車車架進(jìn)行強(qiáng)度及剛度的靜態(tài)特性分析，得出其應(yīng)力與變形云圖，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的可靠性與合理性，為車架的強(qiáng)度與剛度校核提供了參考。

退火爐；車架；靜強(qiáng)度；剛度

0 引言

工業(yè)爐是在工業(yè)生產(chǎn)中，利用燃料燃燒或電能轉(zhuǎn)化的熱量，將物料或工件加熱的熱工設(shè)備[1]。T2853臺車式退火爐是采用天然氣作燃料，用于對某內(nèi)燃機(jī)車發(fā)動機(jī)機(jī)體鑄件消除應(yīng)力的退火處理。主要由爐體及爐襯、爐門及升降系統(tǒng)、無動力臺車、橫向轉(zhuǎn)運(yùn)車及推拉機(jī)構(gòu)、地面板鏈驅(qū)動系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、天然氣供氣系統(tǒng)、助燃風(fēng)系統(tǒng)、密封及氣動壓緊系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成。

其中無動力臺車鋼架結(jié)構(gòu)需充分考慮集中載荷較多的情況，保證臺車不易變形、行走平穩(wěn)。目前在設(shè)計(jì)過程中對臺車鋼架結(jié)構(gòu)的校核計(jì)算都是采用傳統(tǒng)的材料力學(xué)知識進(jìn)行，為保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)尺寸偏大，不僅占用空間、耗費(fèi)材料，而且也不符合當(dāng)前節(jié)約、高效的時代主流。

本文采用SolidWorks設(shè)計(jì)軟件和有限元分析方法，可在設(shè)計(jì)早期對T2853臺車式熱處理爐無動力臺車車架設(shè)計(jì)中存在的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行適度的修正及優(yōu)化，對其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的靜態(tài)特性分析，獲得其應(yīng)力分布、應(yīng)變情況，判斷結(jié)構(gòu)的可靠性，最大限度的提高設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性[2-3]。

1 臺車結(jié)構(gòu)及工況分析

圖1所示為T2853臺車式退火爐的無動力臺車結(jié)構(gòu)，車架（圖1件4）主體結(jié)構(gòu)為Q235-A材質(zhì)的25#槽鋼和工字鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為6 800×5 100 mm（長×寬），屬于大尺寸結(jié)構(gòu)件。車架底部左右兩側(cè)對稱分布有兩塊6 570×250×30 mm（長×寬×厚）（如圖1中件5）的車架承托板，材質(zhì)亦均為Q235-A，用于臺車車架在中轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的支撐。

圖1 T2853臺車式退火爐無動力臺車結(jié)構(gòu)

臺車在滿負(fù)荷使用時，臺車車架所受的載荷包括裝載的內(nèi)燃機(jī)機(jī)車發(fā)動機(jī)機(jī)體鑄件、隔熱層耐火砌體和墊鐵等，總質(zhì)量為90 t，受力狀況較為惡劣，故需對臺車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的靜態(tài)特性分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的合理性。

2 失效形式及強(qiáng)度評價標(biāo)準(zhǔn)

T2853臺車式退火爐車架的槽鋼及鋼板均采用Q235-A材質(zhì)，該材質(zhì)的結(jié)構(gòu)件的失效形式一般為塑性屈服，應(yīng)采用第四強(qiáng)度理論（即畸變能密度理論）對車架進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度的評價[4]。

根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)知識，可知畸變能密度為：

其中，μ為彈性常數(shù)，σ1、σ2和σ3依次表示第一、第二和第三主應(yīng)力[4]。

根據(jù)該臺車的工作狀況及承受載荷，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[5]，確定臺車車架的安全系數(shù)為n=1.5，可知該車架的最大許用應(yīng)力：

3 臺車車架的有限元模型建立

為保證有限元分析求解的正確性，臺車車架的幾何模型必須能用正確的、適度小的有限單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通常情況下，需要修改CAD幾何模型以滿足網(wǎng)格劃分的要求[2]，忽略對主體影響甚微的因素，對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡化[6]。由于本模型為規(guī)則對稱實(shí)體，故在進(jìn)行SolidWorks Simulation有限元分析時只取該模型的1/10，以降低分析時的運(yùn)算量和對計(jì)算機(jī)配置的要求。

本文對臺車車架整體采用默認(rèn)基于曲率的四面體網(wǎng)格劃分方法，在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格控制，確保網(wǎng)格劃分的單元質(zhì)量。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖2所示，單元總數(shù)為114 342個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為216 010個，自由度數(shù)為646 311個。

圖2 臺車1/10車架網(wǎng)格劃分結(jié)果

4 臺車的靜態(tài)特性分析

（1）載荷和約束條件

臺車車架與下方的車架承托板5采用焊接方式固定在一起，整體負(fù)載依靠承托板支撐在臺車下方的中轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，當(dāng)臺車在極限工況工作時，其載荷達(dá)到最大。由于臺車實(shí)際工作中車體的溫度約為70 ℃左右，且此處僅取臺車車架的1/10作分析，因此，在SolidWorks Simulation中對臺車車架上頂面只需添加F=90000N的力，將下方的車架承托板添加固定約束，分析環(huán)境溫度設(shè)置為70 ℃。

（2）靜態(tài)特性分析結(jié)果

臺車車架由Q235A材質(zhì)的25#槽鋼、25#工字鋼、δ10 mm頂鋼板和下方δ30 mm承托板焊接而成，此類低碳鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的形式一般為塑性屈服，因此對其進(jìn)行數(shù)值分析時應(yīng)選擇Von Mises等效應(yīng)力作為車架靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評價標(biāo)準(zhǔn)[5]。在SolidWorks Simulation中進(jìn)行有限元分析后的結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 臺車1/10車架等效應(yīng)力云圖

圖4 臺車1/10車架變形云圖

當(dāng)臺車處于極限工況時，車架受到的工作載荷最大，此時車架的等效應(yīng)力和變形均達(dá)到最大值，從圖3可以看出，車架的最大等效應(yīng)力發(fā)生在車架主體的車架承托板處的型鋼上，最大等效應(yīng)力數(shù)值為73.33 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于車架的最大許用應(yīng)力156.7 MPa，臺車車架的強(qiáng)度可靠性符合設(shè)計(jì)要求；從圖4可以看出，臺車車架在極限工況時的極限變形量最大的地方位于車架跨中區(qū)域，僅為0.93 mm，剛度也符合設(shè)計(jì)要求。

5 臺車的現(xiàn)場應(yīng)用簡況

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)應(yīng)用的臺車如圖5所示，經(jīng)過現(xiàn)場工件的滿負(fù)荷裝載和入爐試運(yùn)行，整體強(qiáng)度及剛度情況表現(xiàn)都較好，沒有出現(xiàn)臺車變形超標(biāo)的情況，進(jìn)而也驗(yàn)證了SolidWorks Simulation數(shù)值分析的正確性。

圖5 臺車現(xiàn)場應(yīng)用情況

6 結(jié)論

（1）采用SolidWorks Simulation有限元分析軟件，對T2853臺車式退火爐車架進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力和剛度特性分析，滿足了臺車的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，為臺車設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的理論支持，較大程度的降低了設(shè)計(jì)和制造成本，并成功應(yīng)用在設(shè)備安裝現(xiàn)場。

（2）采用SolidWorks Simulation有限元分析和傳統(tǒng)材料學(xué)理論計(jì)算相結(jié)合的方法對臺車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加合理，符合當(dāng)今節(jié)約、高效的設(shè)計(jì)理念，為車架的強(qiáng)度與剛度的校核提供了參考，也在一定程度上為后續(xù)相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1] 王秉銓. 工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(第3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 陳國榮，唐紹華. 汽車驅(qū)動橋橋殼強(qiáng)度與模態(tài)的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（2）：42-44.

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[7] 李紹峰, 楊紅星.鑄件燃煤退火爐的改造[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),2001(6).

Analysis of static characteristics of T2853 annealing furnace frame

ZHAO DaWei1,YIN YueFeng1, Dong CuiFen2
（1.No.6 Institute of Design and Research Mechanical Industry, Zhengzhou 450007,Henan,China; 2.Zhengzhou Yutong Bus Co.,Ltd., Zhengzhou 450016, Henan, China)

As an important part of the car-type annealing furnace, the frame plays a momentous role in the process of carrying workpieces and completing the annealing treatment. In the traditional design, the designers usually select a big factor of safety to guarantee the frame’s strength and stiffness. Considering this phenomenon, this paper applies the finite element analysis software SolidWorks Simulation to the analysis of static strength and stiffness for the frame of T2853 car-type furnace and obtains the stress and deformation diagram. The results verify the reliability and rationality of the frame design, which is also providing a reference for the strength and rigidity check.

annealing furnace; frame; static strength; stiffness

TG155；

A；

1 006-9658（201 6）04-0084-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.023

2016-04-07

稿件編號: 1604-1328

趙大為（1984—），男，工程師，主要從事工業(yè)爐方面的設(shè)計(jì)及研發(fā)工作.