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转炉副枪主轴的有限元分析

姚娟^①，杨国良

(中冶南方工程技术有限公司炼钢分公司，湖北 武汉 430223)

摘 要：以转炉副枪主轴为研究对象，对其进行理论分析，并建立有限元模型。在此基础上用ANSYS软件对主轴进行结构静力分析，得到主轴在各旋转角度下的应力应变分布云图。通过分析应力云图的分布规律，设计了一种更为合理的限制主轴转动的结构形式，有效减少应力集中及主轴最大综合应力值，为后续主轴的优化设计提供了基础。

关 键 词：转炉副枪；主轴；有限元分析；静力分析

1 前言

副枪系统是现代转炉实现自动化炼钢的关键设备，目前大多数钢厂纷纷选择旋转式副枪系统。如图1所示，副枪在工作过程中设有探头联接位和测量位两个位置，通过旋转电机带动旋转平台及轨道框架绕主轴旋转。旋转式副枪系统一般在转炉高层框架的卸料小车平台及氧枪刮渣器平台设置上下两个旋转支点，主轴即设置在上旋转支点，其上设有推力关节轴承和向心关节轴承；下旋转支点设有向心关节轴承。上支点主要用于承受整个设备的重力，设备的倾翻力矩由上下两关节轴承产生的一对力偶平衡。旋转电机与旋转平台相连，通过限制主轴转动实现整个设备的旋转运动。

主轴的工作性能对整个副枪设备的运行起着至关重要的作用。在工作过程中，主轴同时承受扭矩、轴向力及径向力作用，且径向力及扭矩方向随着旋转角度的不同而不断变化，主轴的受力情况复杂。因此有必要对副枪主轴进行系统深入的研究，了解主轴的应力应变分布及变化规律，提高副枪设备运行的可靠性，为后面的优化工作做好基础。

2 主轴理论分析

2．1 主要技术参数

主旋转电机额定功率P=7．5kW，额定转速n=1430r/min，减速机减速比i=1000，整个旋转部分的重力G=265kN，旋转半径R=3721mm。

主轴材质45号钢，经调质处理，材料力学性能为σ_b=650MPa，材料的弹性模量为E=2．15×109MPa，泊松比μ=0．3。

电机在旋转过程中主要用于克服上下旋转支点3个关节转轴承的摩擦力矩。取倾翻半径R=3500mm，重力G=265kN，上下两向心关节轴承间的距离L=18705．5mm，则上下关节轴承承受的水平合力为：

取3个关节轴承的摩擦系数f=0．2^[1]；上旋转支点推力关节轴承承受的重力G=265kN，关节轴承的摩擦半径R1=110mm，则框架旋转所需克服的摩擦力矩为：

M₁=μGR=0．2×26．5×1000×10×0．11=5830N·m

上旋转支点向心关节轴承的摩擦半径R₂=110mm，则框架旋转所需克服的摩擦力矩为：

M₂=μF₂R₂=0．2×50×0．113=1130N·m

同理计算出下旋转支点向心关节轴承的摩擦力矩：

M₃=μF₂R₃=0．2×50×0．08=800N·m，则设备旋转所需克服的总摩擦力矩

M=M₁+M₂+M₃=7774N·m，此力矩即为负载力矩。

电机的实际输出扭矩为：

2．2 主轴的受力分析

如图2所示，主轴的下端与主支撑架的套筒配合，主要用于承受径向力。主支撑架通过螺栓与平台固连，主轴通过轴上台阶处设计的一对平面与主支撑架套筒的止口相配合，限制主轴的转动，另外将承受的轴向载荷传递到基础。其受力简图如图3所示。

3 主轴有限元分析

3．1 三维计算模型

按设计图纸建立三维几何模型，由于为结构静强度分析，略去对受力影响不大的结构，例如圆角、倒角、凹槽等，然后导入有限元中进行网格划分。为获得全部六面体的网格，对几何模型进行合理切割，形成具有良好几何拓扑结构的几何体，再对各个几何体进行网格划分。最终获得的节点数98872个，单元数30644个。

3．2 载荷和约束

根据主轴受力简图，对有限元模型添加载荷。在键槽长度范围的圆柱面内添加工作扭矩Mn=7774N·m；在承受轴向力的台阶面施加轴向力F_g=265kN；在关节轴承的圆柱面施加径向力F₂=50kN。主轴与主支撑架存在的3个接触面(轴与套筒的约束、套筒止口及端面处的约束)，均属于小变形，且此分析不关注接触面上的应力分布，因此用限制法向位移代替后两个接触，轴与孔的配合添加圆柱面约束。

3．3 计算结果

主轴的综合应力云图如图4所示，综合位移变形云图如图5所示，应力的局部放大图如图6所示。

从图4、图5、图6分析可知：

1)最大应力发生在B－B截面，从理论上分析，B－B截面除受扭矩影响外，主要受两侧限制主轴旋转的侧壁对其的挤压力，两者综合作用的结果导致B－B截面的综合应力达66．02MPa。

2)从综合应力分布云图可知，主轴的每一级台阶均受到不同程度的应力集中，可见适当加大圆角，有助于减少应力集中，改善主轴的受力情况。

3)从主轴的综合变形云图可知，主轴变形最大的部位发生在主轴键槽侧的端部，为0．11mm，且变形的分布呈螺旋形。呈现这种变形分布的主要原因是扭矩和径向力综合作用的结果。

3．4 分析结果研究与探讨

由于旋转式副枪在工作过程中，径向力方向不断变化，为了解不同旋转角度下主轴的应力应变变化规律，截取15°、30°、45°、60°、90°等五个角度对主轴有限元模型进行分析，观察其应力应变变化规律，可得如下结论：

1)径向力在90°变化范围内，总应力的分布云图变化不大，最大应力的发生点没有发生变化，均在危险截面B－B截面的圆周上。最大应力值从59MPa波动到68MPa，可见径向力方向的变化对主轴受力情况的影响不显著。

2)径向力在90°变化范围内，主轴总变形量没有发生改变，方向则绕着主轴的中性轴旋转，可见在扭矩方向没有改变的情况下，径向力方向的变化对主轴各点应力应变的影响不大。因此在对主轴进行疲劳强度校核时，只需考虑扭矩变化对其的影响。

3)对主轴的综合应力云图进行分析，可知主轴与主支撑架的配合段，主要用于承受径向力，应力分布相对较小，只有不到1MPa。而限制主轴转动的止口处却出现了明显的应力集中，可见此种限制主轴转动的方式不是很理想。

基于此，提出如下解决方案。在主轴与主支撑架的配合段，新增一个键，用键来传递扭矩，限制主轴转动，如图7所示。

对改进后的主轴进行有限元分析，得到改进后的综合应力云图和变形云图如图8和9所示。

改进后的主轴综合应力的最大值为33．6MPa，为改善前的一半，轴端止口处应力集中现象明显改善，且与之相接触的主支撑架的受力情况也得到了显著改善，可见此种限制主轴转动的方式明显优于第一种，为后面主轴的优化设计提供了很好的素材。

4)本论文中B－B截面用位移约束代替真实的接触，虽然得到了主轴的综合应力云图，但由于主轴材质与相对于约束主轴转动的主支撑架上的套筒来说，材质相对较好，屈服强度相对较高，有可能主轴未出现破坏前，套筒已出现了破坏。因此有必要对主轴与套筒的接触面做更进一步接触分析，得出接触面上的应力分布，对后续工作提出指导意义。

4 结论

1)对转炉副枪主轴进行了理论及有限元分析，得出了主轴在各旋转角度下的综合应力分布云图及综合变形云图。结果表明各工况下最大综合应力值均小于材料的强度极限，综合变形亦满足设备性能的要求，主轴的优化存在较大的可操作空间。

2)主轴在扭矩方向没有改变的情况下，径向力方向的改变对主轴各点应力应变的影响不大。

因此在后续对主轴进行疲劳强度校核时，只需考虑扭矩变化对其的影响。

3)通过对主轴的综合应力云图进行分析，提出了一种更为合理的限制主轴转动的结构形式，有效减少了应力集中，最大综合应力得到显著下降，为主轴的优化设计提供了思路。

4)为了解主支撑架的应力分布情况，避免主轴发生破坏前，与之相配合的套筒先发生破坏，有必要对主轴与主支撑架进行接触分析，得出接触面的应力分布规律，对后续工作提出指导意义。

参 考 文 献：

[1]   成大先．机械设计手册第1卷第1篇[M]．北京：化学工业出版社，2008：1－8．

[2]   艾佳，周凯华．基于ANSYS的辊压机辊轴有限元分析[J]．机械研究与应用，2012(2)：63－64．

[3]   浦广溢．ANSYSWorkbench12基础教程与实例详解[M]．北京：中国水利水电出版社，2010：56－78．

[4]   凌桂龙，丁金滨，温正．ANSYS Workbench13．0从入门到精通[M]．北京：清华大学出版社，2012：101－120．