張 琨，李東愛，馮 清，張 鋒

(中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司，陜西 西安 710210)

0 前言

某鋼廠日常生產(chǎn)的例行維護(hù)檢查中發(fā)現(xiàn)，300 tLF爐升降立柱的底部局部鋼板發(fā)生開裂。經(jīng)分析得知，該部位承受爐蓋往復(fù)運(yùn)行引起的交變載荷作用。根據(jù)疲勞理論，零件或部件在受到交變載荷的反復(fù)作用，在交變應(yīng)力尚未達(dá)到靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力情況下會(huì)在零件的局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展，最后發(fā)生突然斷裂。疲勞強(qiáng)度越低，越容易導(dǎo)致疲勞破壞的產(chǎn)生。

應(yīng)力強(qiáng)度和應(yīng)力集中是影響疲勞強(qiáng)度的兩大關(guān)鍵因素。在爐蓋重力的作用下，立柱底部開裂區(qū)域受到拉應(yīng)力的作用，而拉應(yīng)力和疲勞極限成反比關(guān)系，拉應(yīng)力越大，疲勞極限越小，越容易出現(xiàn)疲勞破壞。疲勞裂紋最先出現(xiàn)在應(yīng)力集中部位。應(yīng)力集中導(dǎo)致該部位實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，使該處產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致零件失效或破壞。

本文通過靜力分析的方法，研究了疲勞斷裂處的應(yīng)力水平和應(yīng)力集中情況，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效減小立柱底部的應(yīng)力水平，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1 LF爐爐蓋升降裝置

LF爐升降立柱的底部局部鋼板發(fā)生開裂如圖1所示。如圖2所示為L(zhǎng)F爐爐蓋升降裝置由爐蓋，提升臂，滾輪箱，升降立柱組成。爐蓋升降立柱整體支撐托舉LF爐包蓋，其中LF爐爐蓋升降立柱上的滾輪箱夾持住同LF爐包蓋相連的提升臂，并由LF爐爐蓋升降立柱內(nèi)置的液壓缸帶動(dòng)LF爐包蓋上下行走。LF爐爐蓋升降裝置中爐蓋的受力為單臂懸梁結(jié)構(gòu)，爐蓋重力將以力矩的形式作用于升降立柱上。由立柱的力與力臂的關(guān)系可知當(dāng)爐蓋升到立柱的極限高度的時(shí)刻，立柱所受力矩將達(dá)到最大值。

圖1 升降立柱底部

圖2 LF爐升降立柱運(yùn)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 有限元分析

300 tLF爐平均每爐的生產(chǎn)時(shí)間約為40 min，升降水冷爐蓋時(shí)間約為1 min。采用ANSYS Workbench Static Structural模塊對(duì)該設(shè)備進(jìn)行靜力學(xué)分析。

2.1 模型的建立及簡(jiǎn)化

通過Solidworks2011建立爐蓋升降立柱三維模型，并導(dǎo)入ANSYS Workbench中。立柱主體材料為Q345，局部筋板材料材料為Q235，其物理及機(jī)械性能參數(shù)如表1所示。

表1 性能參數(shù)

使用ANSYS Meshing模塊對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。通過網(wǎng)格敏感性分析，對(duì)立柱底部區(qū)域使用7.5 mm的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，其余部分采用網(wǎng)格自動(dòng)化分法。網(wǎng)格類型使用10節(jié)點(diǎn)高階四面體單元，網(wǎng)格數(shù)量為463 849，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為109 707。

圖3 爐蓋升降立柱三維模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)升降立柱的受力情況，采用遠(yuǎn)端點(diǎn)的設(shè)置方法，簡(jiǎn)化模型。如圖4所示，首先將立柱切開分為三部分，主要是將受力面與其他面分開。其次對(duì)立柱底部施加固定約束A，約束X、Y、Z三個(gè)方向自由度；并將爐蓋重力形成的重心點(diǎn)設(shè)為遠(yuǎn)端點(diǎn)B，爐蓋重心距離立柱受力面4 m，爐蓋自重為245 kN，并將自身重力加載在此點(diǎn)上。最后設(shè)置受力面，將受力面設(shè)置于切開的立柱面上，作用于立柱的滾輪滑動(dòng)面上，即圖4中間區(qū)域。

圖4 模型整體約束和受力

2.2 結(jié)果分析

對(duì)模型進(jìn)行求解，得到斷裂區(qū)域應(yīng)力分布圖，如圖5所示。局部區(qū)域最大應(yīng)力為204.64 MPa，發(fā)生在筋板和立柱滾輪滑動(dòng)面的交界面處。

取最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)及周圍的6個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值，如圖6所示。周圍節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力為158.88 MPa，與最大應(yīng)力的應(yīng)力差百分比為22.35%，最小應(yīng)力為16.20 MPa，與最大應(yīng)力的應(yīng)力差百分比為92.08%，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易引發(fā)疲勞裂紋的產(chǎn)生。對(duì)比該區(qū)域和現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生裂紋的區(qū)域，二者重合。

圖5 模型局部等效應(yīng)力分布圖

圖6 周圍節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖

3 升降立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案

由于立柱的局部應(yīng)力過大，并且應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，所以對(duì)立柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過以下方法對(duì)立柱進(jìn)行加強(qiáng)。

(1)增加筋板數(shù)量，將原有的兩道筋板增加為四道筋板，提高局部區(qū)域的平均抗拉強(qiáng)度。

(2)在筋板和立柱滾輪滑動(dòng)面的連接部位增加工藝圓角，降低應(yīng)力集中情況。

3.2 優(yōu)化后有限元分析

優(yōu)化后立柱的整體應(yīng)力分布如圖7所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，優(yōu)化后危險(xiǎn)點(diǎn)的位置發(fā)生了變化，優(yōu)化后的最大應(yīng)力從原來的204.64 MPa降到了153.98 MPa。

取最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)及周圍的6個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值，如圖8所示。周圍節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力為143.81 MPa，與最大應(yīng)力的應(yīng)力差百分比為6.60%，最小應(yīng)力為120.45 MPa，與最大應(yīng)力的應(yīng)差百分比為21.78%。優(yōu)化后，最大應(yīng)力降低，并且周圍應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減輕。

圖7 優(yōu)化后的局部應(yīng)力分布

圖8 周圍節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖

4 結(jié)束語

通過Workbench對(duì)升降立柱進(jìn)行優(yōu)化，在維持原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，降低了局部應(yīng)力水平，減輕了應(yīng)力集中現(xiàn)象，有效降低了設(shè)備產(chǎn)生疲勞裂紋和斷裂的可能性。

按照優(yōu)化方案對(duì)鋼廠的LF爐爐蓋升降立柱進(jìn)行了改造，補(bǔ)焊了兩塊筋板。重新生產(chǎn)制造的立柱按照此方案進(jìn)行生產(chǎn)，目前該立柱已投入生產(chǎn)三年多，相關(guān)生產(chǎn)制造良好，未出現(xiàn)任何問題。