寬厚板軋支撐銀專用吊具的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

在寬厚板生產(chǎn)中,軋機(jī)是主要設(shè)備之一,用于原料板坯的展寬及展長軋制。而支撐銀則是軋機(jī)的主要部件之一,主要用于承受軋制力。在更換支撐銀過程中,需要用專用吊具吊裝,由于支撐銀裝配重量較重,達(dá)到了300t,且支撐銀價(jià)格昂貴,如吊裝過程中發(fā)生墜落事故,將造成不可估量的損失。支撐銀專用吊具屬于特種設(shè)備,確保其使用安全是生產(chǎn)的重中之重,對(duì)安全系數(shù)有較高要求[1]。

某寬厚板生產(chǎn)廠專用吊具在使用過程中發(fā)現(xiàn)吊具有變形情況,吊具的吊梁變形后呈喇叭口形,導(dǎo)致吊裝時(shí)吊具與支撐銀軸承座的接觸面積較小,使用風(fēng)險(xiǎn)較大。本文將對(duì)專用吊具進(jìn)行受力分析,分析其變形情況,并對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化改造。

1吊具結(jié)構(gòu)

圖1是吊具的結(jié)構(gòu)三維圖,由吊梁、吊臂1、吊臂2、吊鉤、連桿及銷軸等組成。其中,吊梁為龍門結(jié)構(gòu),帶有4個(gè)腿部結(jié)構(gòu):吊鉤則通過銷軸安裝在吊梁的腿部結(jié)構(gòu)上:吊臂1和吊臂2則用于系掛在行車的雙鉤吊具上。從吊梁的結(jié)構(gòu)形狀上進(jìn)行分析,由于腿部位置相互間不能連接在一起,因此這種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。在腿部受力時(shí)將會(huì)出現(xiàn)較大的位移,因此認(rèn)為在腿部與上方橫梁連接的根部位置的剛度不夠。

圖1吊具結(jié)構(gòu)圖

2吊具受力分析

為了簡化模型,去除吊具上的吊臂及連桿等,對(duì)吊具重新建立1/4有限元模型,如圖2(a）所示。采用六面體單元對(duì)其劃分網(wǎng)格,共劃分99766個(gè)節(jié)點(diǎn)和59206個(gè)單元,單元最大尺度為54mm,如圖2(b）所示。然后對(duì)劃分網(wǎng)格后的模型設(shè)立邊界位移條件,在兩個(gè)中心對(duì)稱面上添加對(duì)稱約束邊界條件,在吊梁頂部安裝銷軸的孔處添加零位移約束。此外在腳部的吊鉤上表面施加304.7t的1/4載荷,即76.175t,如圖2(c）所示。

(a）1/4有限元模型

(b）網(wǎng)格劃分

(c）邊界條件及載荷施加

圖2有限元模型

對(duì)1/4有限元模型進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3(a）可知,在吊鉤軸左側(cè)處的應(yīng)力最大:由圖3(b）可知,第一主應(yīng)力為164.6MPa:由圖3(c）可知,第三主應(yīng)力為-122.6MPa。按照有限元分析準(zhǔn)則,當(dāng)?shù)谌鲬?yīng)力是正值時(shí),用第一主應(yīng)力校核:當(dāng)?shù)谌鲬?yīng)力是負(fù)值時(shí),就用等效應(yīng)力來校核。因此,本文采用等效應(yīng)力校核,吊鉤處應(yīng)力為為289.8MPa。由于選用的材料為S355J2J3,其抗拉強(qiáng)度為490MPa,屈服強(qiáng)度為310MPa,因此安全性可以滿足要求。

圖3受力云圖

此外吊梁的位移云圖結(jié)果顯示,在腿部底部位置沿橫向的位移最大,其大小為3.7mm,該數(shù)據(jù)對(duì)使用過程有一定影響。制造過程中材料未達(dá)到使用要求或焊接質(zhì)量存在問題時(shí),在長時(shí)間使用后會(huì)造成該數(shù)值進(jìn)一步變大,會(huì)進(jìn)一步減少吊鉤與支撐粗軸承座的接觸面積,存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際使用過程中,該數(shù)值達(dá)到了8mm以上,因此該吊具設(shè)計(jì)存在缺陷,安全系數(shù)較低,應(yīng)予以加固改造。

3吊具改造設(shè)計(jì)及分析

根據(jù)上文分析,在對(duì)吊具改造時(shí)最簡單的辦法是增加腿部與上方橫梁連接的根部位置的尺寸,但應(yīng)考慮空間尺寸是否充足。對(duì)上、下支撐粗吊裝模型分別進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),上支撐粗軸承座與吊具腿部上方根部位置更近一些,其間距為692.5mm。此外,在系掛支撐粗的過程中還需要預(yù)留一定的吊鉤活動(dòng)空間,最少為150mm,按300mm計(jì)算,則可以有392.5mm的改造空間,將這部分空間留給吊梁改造增加尺寸,將會(huì)有明顯的效果。

尺寸優(yōu)化如圖4(a）所示,為腿部鋼板斜面增加185mm時(shí)的尺寸。采用上述同樣的方法對(duì)其1/4有限元模型進(jìn)行受力分析發(fā)現(xiàn),如圖4(b）所示,其底部位移減小到1.78mm,相比上文的3.7mm已經(jīng)有了很大改善,可見增加此處寬度對(duì)減小變形有一定的效果,且增加寬度后并不會(huì)影響支撐粗的吊裝。另外腿部吊鉤銷軸可以通過增加直徑來降低應(yīng)力水平,從而保證吊具不會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂的情況。由于空間尺寸上的限制,已難以進(jìn)一步通過尺寸優(yōu)化減少變形,但在一定程度上對(duì)吊梁腿部進(jìn)行筋板加固或者增加腿部厚度也會(huì)起到作用,且不會(huì)影響吊具的使用。

圖4吊具尺寸優(yōu)化圖及位移云圖

4結(jié)語

本文以某寬厚板生產(chǎn)廠軋機(jī)支撐粗專用吊具為研究對(duì)象,針對(duì)使用時(shí)出現(xiàn)的變形情況進(jìn)行了有限元分析及優(yōu)化,結(jié)果表明優(yōu)化后的吊具變形情況有所好轉(zhuǎn)。在改造過程中可以通過增加腿部厚度或在腿部加焊筋板的方法進(jìn)一步減小變形。此外,在制造過程中應(yīng)保證鋼板焊接質(zhì)量,如果腿部采用性能更強(qiáng)的材料也會(huì)進(jìn)一步減小變形。