《钢包回转台连杆水平偏移机理的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢包回转台连杆水平偏移机理的研究.doc（7页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、中国冶金装备网-中国冶金人的网钢包回转台连杆水平偏移机理的研究摘 要：采用三维非线性接触有限元技术，对钢包回转台连杆出现的明显水平偏移现象进行了研究，发现附加水平推力是产生水平偏移的主要原因，而不是倾翻力矩。通过分析得到的水平偏移的力学机理为：（1）填丝油封沿关节轴的轴向表现出弱接触刚度，在较小的附加水平推力作用下，可产生明显的接触变形；（2）连杆与关节轴结构装配方式导致形成了一个填丝油封接触变形的放大机构，从而引起连杆端部出现可观的水平偏移。根据本文的研究结果，在生产现场采用隔垫调整连杆位置的技术措施，消除了油缸顶升产生的附加水平推力，从而纠正了连杆的明显水平偏移，有效地保证了钢包回转台的生
2、产安全。关键词：钢包回转台 连杆 水平位移 有限元 接触变形Study on Horizontal Deformation Mechanism of Connecting Rod Slab of Ladle TurretChen Zhihua Chen Deliang(BaoSteel Group Shanghai Meishan Co., Ltd., Nanjing 210039, China)Abstract: The large horizontal deformation phenomenon of the connecting rod slab of ladle turret sub
3、jected small horizontal push force is investigated by the three-dimensional nonlinear contact finite element technique. The numerical result shows that the small push force can make large horizontal deformation for which the torsional moment can not make. The horizontal deformation mechanism is show
4、n to be made by the two reasons. One is that the oil seal filled with steel wire has small contact rigidity so that can deform obviously subjected small horizontal push force. Another is that the connecting rod slab and joint shaft form an enlarging mechanism. The contact deformation of the oil seal
5、 is enlarged by the enlarging mechanism and results in a large horizontal deformation of the rod slab. Based on the results of the present study, the locations of the rod slabs were adjusted by changing the thickness of the mats. The small horizontal push force by the pushing hydraulic cylinder was
6、eliminated and the large horizontal deformation disappeared and the safety of the ladle turret is ensured.Key words：Ladle turret connecting rod slab horizontal deformation finite element technique contact deformation1 前言 在图1所示的平行四连杆式钢包回转台的两侧，上、下各两根平行连杆用来联结叉形旋转臂（又称叉臂）和回转筒体。连杆在两侧各自的顶升油缸推动下，作上下平行运动，带动叉
7、臂和座落在叉臂上的钢包平稳升降。连杆通过关节轴与叉臂和回转筒体连杆箱相联结，因此，连杆与关节轴的结构装配方式相当重要。图2为连杆和关节轴的复杂结构装配方式，其中，连杆通过卡簧与外球面轴承联结，外球面轴承与内球面轴承相接触，而在关节轴上依靠填丝油封轴向定位，内球面轴承套在关节轴上，在轴向通过隔垫与连杆箱体或叉臂的本体相联结。为了防止由于钢包座包不对中所产生的偏扭力偶矩导致连杆卡住，将轴承剖分为内、外球面轴承两个部分。其中，采用弱接触刚度的填丝油封轴向定位外球面轴承，允许外球面轴承和连杆一起作小角度转动，以消除偏扭抗力。但是，梅钢炼钢厂使用的平行四连杆式钢包回转台的一侧叉臂发生了超过8mm的水平偏
8、移，也就是该侧的上、下共四根平行连杆发生了超过8mm的整体水平偏移，且偏移量呈现动态变化，引发了对钢包晃动的担心和对连杆发生局部损伤的猜测。由于上、下连杆的有效长度为2177mm，下连杆矩形横截面的最小尺寸也达到了360mm200mm，如果是由于弯曲变形造成了超过8mm的水平偏移变形的话，则连杆相应的应力值将超过材料的破裂强度。然后，在实际生产中并没有观察到连杆有明显的损坏，在球面轴承的润滑油中也没有观察到相关的磨损颗粒。为了消除连杆动态水平偏移可能带来的安全隐患，本文对连杆进行了较精确的结构建模，采用三维非线性接触有限元技术对连杆水平偏移进行了数值分析，研究得到了连杆水平偏移变形的力学机理，
9、从而提出了现场通过隔垫调整连杆位置的技术措施，有效地消除了连杆的水平偏移。1432895671-钢包，2-上连杆，3-升降装置，4-叉形臂，5-下连杆，6-回转筒体，7-基础，8-回转轴承，9-下筒体图1、上、下连杆在钢包回转台中的位置1234567891-连杆箱体，2-端盖，3-隔垫，4-外球面轴承，5-卡簧，6-填丝油封，7-连杆，8-内球面轴承，9-关节轴图2下连杆的定位方式2连杆有限元建模由于上、下连杆与关节轴的联结方式基本相同，而且连杆箱和叉臂的刚度相对于连杆而言又要大得多，因此，上、下连杆的水平方向变形是相互协调的，水平偏移量基本相等，故本文可以选择一根下连杆作为水平偏移变形的研究
10、对象。观察分析图2所示的连杆装配和定位方式，它沿关节轴的轴向约束相对较弱，因此，在连杆上采用施加沿关节轴轴向方向的附加水平推力、由附加水平推力产生的附加扭矩和连杆本身轴向力的复合加载方式，研究连杆的水平偏移变形。下连杆的三维有限元结构模型如图3所示，它将连杆、关节轴、球面轴承、隔垫和填丝油封接触等，按照实际尺寸整体建模，保留了关节轴和连杆上的所有接触对（见表1）。另外，保留关节轴两端结构的接触功能和接触刚度，但简化为空心圆柱。表1 有限元模型的接触部位的部分举例序号接触对作用1端盖关节轴安装2端盖隔垫定位3隔垫关节轴安装4隔垫内球面轴承定位5油封连杆密封和弱定位6球块连杆传力和调位7球块关节轴
11、安装8油封连杆密封和弱定位9隔垫内球面轴承定位10隔垫隔垫定位11隔垫关节轴安装12隔垫关节轴安装13油封连杆密封和弱定位14球块连杆传力和调位15球块关节轴安装16油封连杆密封和弱定位17隔垫内球面轴承定位18端盖隔垫定位19端盖关节轴安装20卡簧连杆、外球面轴承安装和定位虽然采用结构整体建模方法，保留所有接触对，会导致单元划分的困难，计算工作量也将大幅度增加，但是，依靠接触单元，可以有效、准确地计算各接触部分的接触压力分布，可避免人为简化带来的计算误差。采用八节点实体单元离散结构模型，对圆孔和球面等，通过线、面的分段，进行网格的精细控制划分。对于相互接触构件，采用柔体-柔体的面-面接触类型
12、，在相互接触的界面，通过控制划分网格，使相互接触界面的单元和尺寸尽可能地一一对应。接触单元选用3-D、8节点接触单元，它可退化为6结点的三角形单元，能够模拟复杂边界。本文采用三维非线性大变形算法，采用广义拉格朗日法和库仑摩擦模型计算部件间的摩擦接触问题。图4为三维有限元结构模型的网格划分，共划分为172，000个单元，其中连杆部分占36%，附件部分占64%。在模型中，连杆材料为Q345，端盖材料为45#钢，卡簧材料为60Si2MnA，球面轴承材料为GCr15，填丝油封材料为XDI7433，其余附件材料为Q235。通过连杆空间受力分析，在油缸推力偏置10mm的前题下，连杆水平方向受到附加水平推力
13、为6.75KN，轴向压缩力为1570KN，附加扭转力偶矩为14KNm。图3 下连杆的结构模型 图4 网格模型（局部剖视图）3连杆水平偏移的力学机理3. 1刚性转动现象图5为放大的连杆变形和水平位移云图，图中连杆右端的最大水平偏移量达到了9.29mm，与实际测量值比较吻合。若以变形前的轮廓线作为参考，图5直观地显示出连杆发生了刚性转动。图6为连杆水平位移沿连杆轴线的分布曲线，它定量反映出了刚性转动引起的水平位移线性增大特征。然而，仔细计算连杆相应载荷条件下的应力，却发现最大应力只有62MPa，不至于损坏连杆结构。大位移和小应力也是结构发生刚性转动的特征之一。然而，由只相当于轴力的4.3%的附加水
14、平推力为何就能使连杆发生刚性转动，并产生8-9mm的水平偏移，其内在的力学机理还需要进一步的分析。图5 连杆的水平偏转变形图6 连杆轴线上水平偏移的分布3. 2力学机理由于连杆不仅承受了附加水平推力和轴向压缩力，而且承受了附加扭转力偶矩，因此，生产现场曾怀疑是由附加扭转力偶矩引起水平偏移的，为此，有必要首先观察研究连杆因扭转造成的水平倾斜情况。图7为连杆中截面上垂直中线上的水平位移分布，它同样呈现出线性分布形式，其中，上、下水平位移差为1.14mm。由于连杆各横截面的水平位移差几何相等，反映在设备上，就是连杆与连杆箱的缝隙差为1.14mm，这与现场观察到的1mm的缝隙差相一致。但是，图7的计算
15、结果表明附加扭转力偶矩只能造成1mm左右的水平偏移，因此，不能成为连杆出现9mm左右水平偏移的主要原因。仔细观察图5中连杆的结构变形可以看出，连杆套在关节轴上的根部也同样发生了明显一致的刚性转动。分析图2中关节轴上隔垫、卡簧、填丝油封等部件的组装方式和球面轴承的装配方式，可知传力路线为：附加水平推力和附加扭转力偶矩连杆外球面轴承填丝油封隔垫端盖连杆箱或叉臂。在倾动传力过程中，隔垫、端盖等具有较大的接触刚度，只产生很小的结构变形，而填丝油封由于本体为橡胶，中间填入钢丝，其柔度较大，接触刚度小，可以发生较明显的变形，从而导致外球面轴承带动连杆一起发生倾动。图7 连杆中截面垂直中线上的水平位移分布图
16、8 填丝油封沿周向的水平变形分布图8给出了环状填丝油封沿周向的水平变形分布，它近似为半个正弦曲线。在近一半的圆周上发生变形，而在另一半上几乎不变形。表明填丝油封半圈接触，而另半圈不接触。变形的半圈上的周向最大变形值为1.29mm，变形明显。图9给出了环状填丝油封在变形的半圈上沿中线的水平变形分布，它呈现出线性分布形式，表明填丝油封接触的半圈几乎被压成了倾斜的平面。图5中连杆的结构变形还直观形象地再现了一个变形放大机构。填丝油封的变形被以关节轴被铰点，连杆为放大臂的水平位移放大机构放大，放大的比例大致为：连杆长/关节轴径=2177/280=7.775。以上分析表明，弱接触刚度的填丝油封在较小的附
17、加水平推力产生了明显的水平变形，该变形被连杆和关节轴形成的放大机构进一步放大，从而导致连杆端出现显著的水平偏移。图9 填丝油封沿径向的水平变形分布4 结束语本文采用三维非线性接触有限元技术，对钢包回转台连杆的明显水平偏移现象进行了研究，结果表明，小的附加水平推力的确可以使连杆产生可观的水平偏移，而倾翻力矩并不是造成该偏移的主要的原因。其变形机理为：（1） 填丝油封沿关节轴的轴向表现出弱接触刚度，在较小的附加水平推力作用下，可产生明显的接触变形；（2） 连杆与关节轴结构装配方式导致形成了一个填丝油封接触变形的放大机构，从而引起连杆端部出现可观的水平偏移生产现场测试表明，连杆上臂（双联）的档距因制
18、造原因偏小了7mm，造成顶升油缸在升降过程中与连杆上臂不垂直，引起对连杆上臂的附加水平推力，该推力正是造成连杆水平偏移的原动力。因此，在检修过程中，通过改变隔垫的厚度，调整连杆上臂的位置，使油缸在顶升过程中始终与连杆上臂垂直，消除了附加水平推力，纠正了连杆端的显著水平偏移。参考文献1 张晓春，袁振文. 基于Pro/E的钢包回转台三维建模及有限元分析. 重型机械，2009，(2):52-542 于春兰，曹刚，秦潞潞，李文竹. 钢包回转台连杆板坯缺陷分析. 理化检验(物理分册)，2009，45(1):45-473 唐田秋，陈利平，刘丛国. 于有限元分析的连铸机钢包回转台结构优化设计. 重型机械，2004，(6):35-374 叶永祥. 连铸钢包回转台回转轴承故障分析. 冶金设备, 2008, (4):76-77