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连铸拉矫机强度的有限元分析

发布于:2019-12-13 21:39
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      本文的研究对象拉矫机为钳式框架结构,主要由机架、钳杆、压下臂、液压缸、上下辊装配、电机、减速机、隔热水套和冷却水系统组成,如图所示。拉坯机的上、下辊均为传动辊,矫直机只有上辊传动。压下装置的各个动作由液压缸来完成。
      拉矫机的强度直接决定其工作安全性,进而影响铸坯的尺寸精度和质量。因此,对拉矫机进行强度有限元分析具有重要的实际意义。拉矫机的设计中,为了克服拉坯阻力和装引锭杆时拉辊的受力,必须在辊子上施加一定的正压力。经过计算可知,装引锭杆时的正压力最大,于是只分析装引锭杆时的情况。装引锭杆时,引锭杆向上运行,摩擦阻力向下,下滑力向下,则装引锭杆拉辊的受力。由于有两对拉辊,对一对拉辊的上辊,拉辊的受力,辊子上正压力,从结构上看,液压缸的压下力与拉辊的压下力之间有杠杆关系,则液压缸的压下力。
      建立拉矫机几何体,将减速机和电机压缩,以简化模型。    零件(除辊子外)材料选用普碳钢,辊子材料选用合金钢。将机架底部六块面板的下表面选择为固定几何体。对上下辊各施加压力161390.75 N,摩擦力6455.63 N、转矩1129.74 N.m;对液压缸活塞施加压力105421.51 N;对液压缸底部施加压力105421.51 N,忽略周向力(相互抵消)。对上下辊轴端减速机位置各施加压力3000 N(由于减速机已经压缩)。由图可以看出,受力比较大的两个区域是被活塞杆压下的钳杆上部的面板,还有钳杆和机架铰接处的销轴孔边缘及销轴。最大等效应力出现在后者区域,约210.3MPa。材料是Q235,屈服强度235 MPa,选取安全系数n=1.5,则许用应力n=235/1.5 =156.7 MPa。显然,许用应力小于计算得到的最大等效应力,有安全隐患。所以必须进行改进,考虑到销轴孔边缘的应力集中,于是对销轴孔边缘倒圆角。为了增加销轴的强度,将销轴材料换为合金钢。被活塞杆压下的钳杆上部的面板也存在安全隐患,在其下方增加了一个支撑板,同时保证其刚度要求,如图所示。再次计算后,最大等效应力明显降低,接近148 MPa。最大等效应力小于许用应力。因此改进后的设计是安全的,拉矫机的强度满足工作要求。
      由于拉矫机长时间处于高温辐射状态下工作,所以对拉矫机各部分设备要进行有效冷却和保护,防止设备构件产生高温蠕变、拉坯阻力增加等问题。对拉矫机冷却水系统进行流动和热交换分析,有助于改进水路结构,从而延长拉矫机使用寿命。
      本项目拉矫机的冷却水系统包括:轴承座及上下辊通水内冷;压下臂、钳杆通水内冷;减速机通水内冷;将红热铸坯罩住的隔热水套通水内冷;机架通水内冷。水冷机架还起到分水箱的作用,所有水冷却部件的进出水管都与机架连接,机架上只有一个进水管和出水管,便于拉矫机整体快速更换,提高连铸作业率。
      模拟类型设为允许热传导,包括固体与固体之间,固体与流体之间。流体设置为水,固体材料选为普碳钢。设置进水口的流量3.6 kg/s和出水口的压力601325 Pa。要保证水流的畅通,不允许出现死水和关键水路的流量过小。因为上述两者都不能及时带走热量,致使水温升高,影响冷却效果。


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