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轉爐托圈與耳軸的強度有限元分析

發布于:2022-05-24 19:52
有限元分析

      新中國成立以來,我國鋼鐵工業飛速發展。1964年,我國第一座氧氣頂吹轉爐煉鋼車間建成投產。目前,氧氣頂吹轉爐煉鋼設備在我國鋼鐵行業中發揮著極為重要的作用,促進了國民經濟的發展。
      氧氣頂吹轉爐的本體系統由爐體、爐體支撐系統、傾動機構和扭矩平衡裝置組成。轉爐的爐體包括爐殼和爐襯,爐殼一般為鋼板焊接結構,爐襯包括工作層、永久層和充填層。爐體及附件的全部重量通過支撐系統傳遞到基礎上。
      爐體支承系統主要包括托圈、托圈與爐體間的連接裝置、耳軸、耳軸軸承和底座。托圈和耳軸是轉爐的重要承載部件和傳動部件,其安全性能直接影響轉爐系統的運行性能。為確保轉爐的正常運行,需要對設計出的托圈與耳軸進行強度有限元分析。托圈的結構其斷面一般為矩形箱體結構,在中間焊有垂直筋板以增加其剛度。在工作過程中,托圈除承受爐體、鋼液及爐體附件的靜載荷和傳遞傾動力外,還承受頻繁啟、制動產生的負荷,及爐體、鋼水罐、渣罐、煙罩及噴濺物的熱輻射、熱傳導所產生的熱負荷。耳軸分為從動端耳軸和驅動端耳軸。耳軸受熱會變形,為了適應耳軸伸長的位移,有一側耳軸的軸承選用軸向游動的,其軸承支座為鉸鏈連接結構。通常情況下,驅動端耳軸的軸承選用軸向固定的軸承,從動端耳軸的軸承選用軸向游動的軸承。
      爐體連接裝置的形式有鏈桿式、懸掛式、夾持器連接、薄片鋼帶連接等。這里研究的轉爐的爐體連接裝置是鏈桿式。爐體通過三個垂直鏈桿和兩個水平鏈桿連接在托圈上。兩個水平鏈桿分別位于驅動端耳軸和從動端耳軸上。爐體及其載荷的全部重量Q通過托圈的支承點傳遞到托圈上。如果支承方式不同,托圈支承點的數目也有所不同。三點以上的支承屬于超靜定問題。在轉爐工作過程中,托圈平面的橫向力通過水平鏈桿和固定支承向托圈傳遞,可以將鏈桿簡化為二力桿。
      當轉爐爐體轉動a角后,托圈所受的外力有爐體及載荷的全部重量Q、爐體及載荷的反力矩MQ-Q和耳軸軸承的支反力等。即爐體及載荷的反力矩MQ等于使轉爐轉動的傾動力矩M。爐體及載荷的全部重量Q在托圈上產生外力,該外力在每個支承點上可分解為平行于托圈平面的載荷P,與垂直于托圈平面的載荷。
      當垂直于環平面的載荷作用在托圈上時,內力計算需滿足以下條件:①托圈圓環是回轉體;②托圈圓環橫截面的主慣性軸之一在圓環的中心線平面內。
      目前,托圈斷面一般采用鋼板焊接的箱形(即矩形面結構。對于這種斷面結構,切應力均勻分布在整個矩形斷面輪廓上,且矩形斷面結構的抗扭剛度比開口斷面的大許多倍。根據轉爐的工作情況,設計出的托圈是一個整體鋼板焊接的箱形結構,由驅動側耳軸座、從動側耳軸座、出鋼側托圈瓣和裝料側托圈瓣焊接而成。托圈截面上的載荷有軸向力議切向力Qx,Q,彎矩MX,MY和扭矩MK。設空心矩形截面的外側矩形的高為h寬為b內側矩形的高為h。在計算時忽略托圈曲率的影響,其應力有軸向拉應力與軸向壓應力、彎曲切應力和扭矩M、所產生的切應力彎曲正應力。


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