宽厚板轧支撑银专用吊具的有限元分析与结构优化

引言

在宽厚板生产中,轧机是主要设备之一,用于原料板坯的展宽及展长轧制。而支撑银则是轧机的主要部件之一,主要用于承受轧制力。在更换支撑银过程中,需要用专用吊具吊装,由于支撑银装配重量较重,达到了300t,且支撑银价格昂贵,如吊装过程中发生坠落事故,将造成不可估量的损失。支撑银专用吊具属于特种设备,确保其使用安全是生产的重中之重,对安全系数有较高要求[1]。

某宽厚板生产厂专用吊具在使用过程中发现吊具有变形情况,吊具的吊梁变形后呈喇叭口形,导致吊装时吊具与支撑银轴承座的接触面积较小,使用风险较大。本文将对专用吊具进行受力分析,分析其变形情况,并对此进行优化改造。

1吊具结构

图1是吊具的结构三维图,由吊梁、吊臂1、吊臂2、吊钩、连杆及销轴等组成。其中,吊梁为龙门结构,带有4个腿部结构:吊钩则通过销轴安装在吊梁的腿部结构上:吊臂1和吊臂2则用于系挂在行车的双钩吊具上。从吊梁的结构形状上进行分析,由于腿部位置相互间不能连接在一起,因此这种结构不稳定。在腿部受力时将会出现较大的位移,因此认为在腿部与上方横梁连接的根部位置的刚度不够。

图1吊具结构图

2吊具受力分析

为了简化模型,去除吊具上的吊臂及连杆等,对吊具重新建立1/4有限元模型,如图2(a）所示。采用六面体单元对其划分网格,共划分99766个节点和59206个单元,单元最大尺度为54mm,如图2(b）所示。然后对划分网格后的模型设立边界位移条件,在两个中心对称面上添加对称约束边界条件,在吊梁顶部安装销轴的孔处添加零位移约束。此外在脚部的吊钩上表面施加304.7t的1/4载荷,即76.175t,如图2(c）所示。

(a）1/4有限元模型

(b）网格划分

(c）边界条件及载荷施加

图2有限元模型

对1/4有限元模型进行计算,计算结果如图3所示。由图3(a）可知,在吊钩轴左侧处的应力最大:由图3(b）可知,第一主应力为164.6MPa:由图3(c）可知,第三主应力为-122.6MPa。按照有限元分析准则,当第三主应力是正值时,用第一主应力校核:当第三主应力是负值时,就用等效应力来校核。因此,本文采用等效应力校核,吊钩处应力为为289.8MPa。由于选用的材料为S355J2J3,其抗拉强度为490MPa,屈服强度为310MPa,因此安全性可以满足要求。

图3受力云图

此外吊梁的位移云图结果显示,在腿部底部位置沿横向的位移最大,其大小为3.7mm,该数据对使用过程有一定影响。制造过程中材料未达到使用要求或焊接质量存在问题时,在长时间使用后会造成该数值进一步变大,会进一步减少吊钩与支撑粗轴承座的接触面积,存在较大的风险。在实际使用过程中,该数值达到了8mm以上,因此该吊具设计存在缺陷,安全系数较低,应予以加固改造。

3吊具改造设计及分析

根据上文分析,在对吊具改造时最简单的办法是增加腿部与上方横梁连接的根部位置的尺寸,但应考虑空间尺寸是否充足。对上、下支撑粗吊装模型分别进行分析可以发现,上支撑粗轴承座与吊具腿部上方根部位置更近一些,其间距为692.5mm。此外,在系挂支撑粗的过程中还需要预留一定的吊钩活动空间,最少为150mm,按300mm计算,则可以有392.5mm的改造空间,将这部分空间留给吊梁改造增加尺寸,将会有明显的效果。

尺寸优化如图4(a）所示,为腿部钢板斜面增加185mm时的尺寸。采用上述同样的方法对其1/4有限元模型进行受力分析发现,如图4(b）所示,其底部位移减小到1.78mm,相比上文的3.7mm已经有了很大改善,可见增加此处宽度对减小变形有一定的效果,且增加宽度后并不会影响支撑粗的吊装。另外腿部吊钩销轴可以通过增加直径来降低应力水平,从而保证吊具不会出现疲劳断裂的情况。由于空间尺寸上的限制,已难以进一步通过尺寸优化减少变形,但在一定程度上对吊梁腿部进行筋板加固或者增加腿部厚度也会起到作用,且不会影响吊具的使用。

图4吊具尺寸优化图及位移云图

4结语

本文以某宽厚板生产厂轧机支撑粗专用吊具为研究对象,针对使用时出现的变形情况进行了有限元分析及优化,结果表明优化后的吊具变形情况有所好转。在改造过程中可以通过增加腿部厚度或在腿部加焊筋板的方法进一步减小变形。此外,在制造过程中应保证钢板焊接质量,如果腿部采用性能更强的材料也会进一步减小变形。