李 龍

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

就步進(jìn)梁式加熱爐而言，其運(yùn)行性能與爐底機(jī)械有著密切的關(guān)聯(lián)，其一方面可以起到支撐加熱爐平移框架的作用，另一方面則可以確保板坯能夠沿著爐長(zhǎng)方向進(jìn)行持續(xù)性步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。其傳動(dòng)方式可細(xì)分為兩種，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)而言，采用液壓傳動(dòng)的方式能夠減少結(jié)構(gòu)占據(jù)的空間，緩解步進(jìn)梁在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊力。總體來(lái)說(shuō)，液壓傳動(dòng)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于步進(jìn)機(jī)械中。

1 工程概況

在本文所探討的鋼鐵集團(tuán)中，配備了4 臺(tái)步進(jìn)式梁式加熱爐，對(duì)于爐底機(jī)械部分而言使用的是全液壓馭動(dòng)的方式，選用熱軋H型鋼進(jìn)行焊接處理，由此形成牽引框架。所論述的爐底機(jī)械牽引框架中，采用的材料型號(hào)為Q345-B，以此為參考確定對(duì)應(yīng)的材料彈性模量值為208000MPa，同時(shí)將其泊松比取值為0.3。具體的幾何模型圖示如圖1所示。

2 步進(jìn)梁式加熱爐概述

2.1 步進(jìn)梁式加熱爐特點(diǎn)

作為重要的支承工件，水冷梁以及耐熱鋼梁對(duì)于步進(jìn)梁式加熱爐而言均具有重要意義。對(duì)于加熱爐而言，可以在此設(shè)備中完成對(duì)鋼坯的加熱；對(duì)于猝火爐而言，可以在此設(shè)備中完成對(duì)長(zhǎng)工件的淬火過(guò)程。

相較于推鋼爐而言，本文所探討的步進(jìn)梁式加熱爐性能更為顯著。具體來(lái)說(shuō)，選用了耐高溫爐料，因此在使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)相互粘連的現(xiàn)象；所需加熱的時(shí)間較短；在加熱過(guò)程中可以對(duì)工件底部區(qū)域形成保護(hù)，爐長(zhǎng)的可選擇性也更為理想[1]。此外，當(dāng)采取停爐操作時(shí)，此時(shí)存在于爐內(nèi)的所有工件都可以較為輕松地進(jìn)行出孔處理，能夠靈活地改變步長(zhǎng)以及步進(jìn)周期，由此對(duì)爐子生產(chǎn)能力進(jìn)行合理的調(diào)整。

圖1 牽引框架三維幾何模型示意圖

2.2 步進(jìn)梁式加熱爐步進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)介

考慮到軋線布列方式之間的差異性，在進(jìn)行裝料與出料作業(yè)時(shí)可選用兩種方式進(jìn)行操作，即端進(jìn)端出或者是側(cè)進(jìn)側(cè)出。但二者適用的場(chǎng)景有所不同，前者常見(jiàn)于板材鋼坯材料，后者常見(jiàn)于線型材鋼坯材料。

從組成結(jié)構(gòu)上分析，步進(jìn)梁式加熱爐可細(xì)分為如下幾大部分：

（1）爐底機(jī)械，能夠完成指定的運(yùn)動(dòng)軌跡，諸如提升框架、滾輪以及液壓缸等均是重要的組件。

（2）水冷梁，能夠起到支撐工件的作用，活動(dòng)梁能夠伴隨著步進(jìn)機(jī)械的動(dòng)作變化而發(fā)生改變，此外梁立柱等均是重要的結(jié)構(gòu)。

（3）水封裝置，能夠隔絕空氣，避免其進(jìn)入爐內(nèi)同時(shí)可以起到除渣的效果，諸如水封槽、水封罩等均是重要的組件。

2.3 步進(jìn)梁式加熱爐步進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備安裝要點(diǎn)

整體來(lái)說(shuō)，安裝過(guò)程較為繁瑣：首先需要進(jìn)行基礎(chǔ)交接工作，在通過(guò)復(fù)測(cè)后將墊板、滾輪以及定心裝置等設(shè)備安裝完畢，其中滾輪分為上下滾輪兩部分，在安裝過(guò)程中需要遵循由下至上的順序；在做好各類基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安裝工作后，則需要進(jìn)行零位固定處理，而后安裝水封裝置，最后進(jìn)行試車，確保設(shè)備均能準(zhǔn)確安裝[2]。

2.4 步進(jìn)梁式加熱爐的優(yōu)點(diǎn)

（1）適用于多種形狀料坯，甚至可以對(duì)大板環(huán)以及異型環(huán)進(jìn)行加熱處理，且最終加熱效果理想。

（2）具有強(qiáng)勁的生產(chǎn)能力，相較于傳統(tǒng)的推送式爐而言，爐底強(qiáng)度普遍超過(guò)800 kg/（m2·h），同時(shí)爐子長(zhǎng)度能夠進(jìn)行靈活變動(dòng)，縮短幅度達(dá)到10%～15%。

（3）擺脫了推送比的制約，能夠靈活地調(diào)整爐長(zhǎng)，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)拱料以及粘連等問(wèn)題。

（4）爐子在運(yùn)行時(shí)具有高度的靈活性，在爐長(zhǎng)不發(fā)生改變的前提下，可以對(duì)料坯彼此間距進(jìn)行調(diào)整，從而起到改變爐內(nèi)料塊數(shù)量的效果，對(duì)于產(chǎn)量具有變動(dòng)性的生產(chǎn)目標(biāo)而言具有良好的適應(yīng)性；步進(jìn)周期能夠進(jìn)行靈活的調(diào)整，當(dāng)加大步距時(shí)，將會(huì)縮短料坯在爐內(nèi)的加熱時(shí)間，因此可以滿足各類金屬的加熱需求。

（5）對(duì)于單面加熱的步進(jìn)式爐而言不存在黑印現(xiàn)象，同時(shí)在施工時(shí)無(wú)需均熱床；在進(jìn)行雙面加熱時(shí)相對(duì)復(fù)雜，但只要做好絕熱工作，黑印現(xiàn)象也能得到良好的控制。

（6）若出現(xiàn)軋機(jī)故障時(shí)，此時(shí)可以靈活地將物料退出爐膛，由此避免氧化以及脫碳現(xiàn)象，避免料坯質(zhì)量受到影響。

（7）能夠精準(zhǔn)地確定加熱時(shí)間并進(jìn)行控制，提升了加熱的自動(dòng)化程度。

3 有限元分析

3.1 牽引框架幾何模型的建立

本文將實(shí)際步進(jìn)梁式加熱爐工程案例作為基本研究對(duì)象，在此基礎(chǔ)上圍繞其爐底機(jī)械牽引框架展開分析，由此建立出相應(yīng)的二維模型。在建模過(guò)程中密切關(guān)注了各個(gè)單位之間的協(xié)調(diào)性，確保了計(jì)算結(jié)果的精確性?；谔嵘Y(jié)果精確性的目的，此處將單位設(shè)置為mm-t-s。牽引框架通過(guò)焊接而成，此結(jié)構(gòu)實(shí)體具有較高的復(fù)雜性，由此隨之加大了分析難度。對(duì)此，將整體作為分析對(duì)象，在此基礎(chǔ)上對(duì)一些無(wú)關(guān)緊要的因素進(jìn)行簡(jiǎn)化，諸如倒角拉直等?；诖朔绞?，能夠增強(qiáng)有限元網(wǎng)格的精煉度，確保網(wǎng)格劃分趨于合理化，從而提升計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值的相似性。

從爐底機(jī)械框架組成上看，其主要由升降框架以及牽引框架兩大部分組成，由此滿足步進(jìn)梁的各類連貫動(dòng)作要求。將升降框架置放在支撐滾輪上，當(dāng)進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以提升步進(jìn)梁上托或是下放的便捷性，由此避免爐底機(jī)械出現(xiàn)大幅振動(dòng)現(xiàn)象。牽引框架需要與平移框架進(jìn)行相應(yīng)的連接，此時(shí)則需要依托于液壓缸設(shè)備，由此實(shí)現(xiàn)在平移滾輪上的各類運(yùn)動(dòng)。需要注意的是，此過(guò)程一旦稍有差錯(cuò)，則會(huì)對(duì)爐底機(jī)械的正常平移造成影響，此時(shí)板坯難以正常出爐，整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)被迫停止，所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失極為慘重。對(duì)此，基于提升加熱爐爐底機(jī)械運(yùn)行穩(wěn)定性的目的，應(yīng)當(dāng)引入有限元計(jì)算法，而后對(duì)其牽引框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及剛度展開計(jì)算，由此明確結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上具有針對(duì)性地采取措施，在設(shè)計(jì)階段將此問(wèn)題解決，為后續(xù)正式運(yùn)行創(chuàng)造穩(wěn)定的環(huán)境[3]。

在傳統(tǒng)方式下，對(duì)牽引框架的計(jì)算僅僅停留在理論公式層面，因此所得的結(jié)果與實(shí)際情況必定存在較大差別。對(duì)此，本文引入了ABAQUS 軟件，綜合考慮項(xiàng)目的實(shí)際狀況，在此基礎(chǔ)上圍繞牽引框架展開有限元分析，全面掌握應(yīng)力以及位移情況，而后以所得結(jié)果為參考，圍繞牽引框架展開優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

3.2 邊界條件和載荷

計(jì)算結(jié)果受多方面因素的影響，諸如邊界條件以及載荷均是主要的影響因素。對(duì)于邊界條件而言，它是實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)與外部聯(lián)系的主要條件，在滿足實(shí)際需求的同時(shí)還對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)便性提出了更高的要求。對(duì)于爐底機(jī)械牽引框架而言，需要以液壓缸為基本條件，在此基礎(chǔ)上通過(guò)滾輪進(jìn)行前移或是后退等動(dòng)作，但由于整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程速度較低，所以表現(xiàn)為低轉(zhuǎn)速下的加載特征，宜對(duì)其展開靜態(tài)分析。對(duì)于牽引框架與液壓缸相接處的區(qū)域而言，可以對(duì)其施加一個(gè)拉力，考慮到爐底機(jī)械在進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)荷極限值達(dá)到了1 650 t，因此需要以此為參考確定一個(gè)合理的摩擦系數(shù)值，最終得出牽引框架對(duì)應(yīng)的拉力極限值。

3.3 網(wǎng)格劃分

通過(guò)實(shí)體建模，可以進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，而后確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)單元。網(wǎng)格劃分的合理與否將會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性造成直接影響，考慮到此特點(diǎn)，要想提升牽引框架應(yīng)力計(jì)算值的準(zhǔn)確性，就必須對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行精密的劃分，當(dāng)網(wǎng)格越來(lái)越密時(shí)，其對(duì)應(yīng)的結(jié)果精度也隨之提升[4]。就理論層面而言，若單元尺寸接近無(wú)限小，此時(shí)可以得出與網(wǎng)格無(wú)關(guān)的解。伴隨著單元數(shù)量的增加，對(duì)應(yīng)的計(jì)算量也隨之加大，并表現(xiàn)出典型的指數(shù)特征，待網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到某一上限值時(shí)，計(jì)算機(jī)將不具備穩(wěn)定運(yùn)算的能力。對(duì)此，需要將網(wǎng)格密度控制在合理范圍內(nèi)。基于ABAQUS的全局種子，可以在其中的重點(diǎn)部位設(shè)置種子，此時(shí)網(wǎng)格劃分變得更具合理性。但考慮到牽引框架的復(fù)雜性，因此在使用ABAQUS 軟件時(shí)應(yīng)選用其中的六面體單元形式，具體到本文中則為C3D8R六面體單元，最終劃分出93 047個(gè)單元，具體模型見(jiàn)圖2：

圖2 牽引框架有限元模型示意圖

3.4 結(jié)果分析

當(dāng)完成計(jì)算后，經(jīng)過(guò)后處理便可得出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力以及位移云圖，位移云圖見(jiàn)圖3。綜合所給結(jié)果進(jìn)行分析可知，產(chǎn)生的應(yīng)力極值為61.6 MPa，產(chǎn)生的位移極值為1.43 mm，具體表現(xiàn)在牽引框架與液壓缸的連接區(qū)域。對(duì)此，需要對(duì)該部分區(qū)域進(jìn)行加厚處理，提升其焊接質(zhì)量，確保應(yīng)力分布的均勻性。由于移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)普遍較高，因此宜將其視為n>2。由于牽引框架選用材質(zhì)較為特殊，同時(shí)是通過(guò)焊接制作而成，因此所得的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果明顯偏大。但就實(shí)際情況而言，在支撐筋板的作用下將會(huì)明顯提升其剛度，此時(shí)結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力明顯下降，由此可知本文所探討的牽引框架符合相應(yīng)的強(qiáng)度要求。

圖3 牽引框架位移云圖

4 結(jié) 論

總結(jié)來(lái)說(shuō)，爐底機(jī)械牽引框架對(duì)于整個(gè)步進(jìn)式加熱爐而言至關(guān)重要。對(duì)此，本文引入了ABAQUS 軟件，對(duì)其展開非線性有限元分析，明確不同區(qū)域?qū)?yīng)的應(yīng)力以及位移情況，參考所得分析結(jié)果對(duì)牽引框架進(jìn)行優(yōu)化。相較于傳統(tǒng)方式而言，有限元分析法可以提升所得結(jié)果的精確性，能夠?yàn)闋恳蚣艿膬?yōu)化工作提供有效參考。