拉矫机基础框架的优化设计

王铁男 张静双 赵勋亚 刘志鹏

(1.重庆赛迪冶金技术有限公司，重庆 400013;2.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 400013)

拉矫机及其基础框架是连铸机的关键设备，其质量的好坏直接影响到铸坯的生产质量。为保证生产过程中拉矫机正常工作，其基础框架要满足结构安全可靠、刚度大和不易变形等要求［1］。为优化设备结构，降低工程成本，通过仿真分析，对基础框架进行改良设计。

1 拉矫机基础框架的几何模型

拉矫机基础框架主要包括放置在土建基础上的竖梁、沿铸流方向放置在竖梁上的横梁及为了增加基础框架刚度而设置的各种加强筋板。几何模型省略了各螺栓连接，简化为理想的焊接结构。

1.1 原始设计方案模型

原始设计方案:拉矫机基础框架中固定在底座上的竖梁两端只有一块筋板，为增加基础框架前部的刚度而施加的筋板只有一块，基础框架横梁的后面翼板厚度为30 mm。如图1 所示。

图1 拉矫机基础框架原始设计方案模型Figure 1 Original design model of base frame of withdrawal and straightening machine

1.2 优化设计后的方案模型

优化后的设计方案:拉矫机基础框架中固定在底座上的竖梁两端有两块筋板，为增加基础框架前部的刚度而施加的筋板变为两块，基础框架横梁的后面翼板厚度改为50 mm。如图2 所示。

图2 拉矫机基础框架优化后的方案模型Figure 2 Optimized model of base frame of withdrawal and straightening machine

2 拉矫机基础框架的有限元模型

2.1 基础框架的材料参数

拉矫机基础框架中的横梁和竖梁材料均采用Q345-B，其性能参数如表1 所示。

表1 材料Q345-B 的性能参数Table 1 Performance parameters of material Q345-B

2.2 拉矫机基础框架约束条件和载荷

2.2.1 外力对基础框架的影响

拉矫机装置在基础框架上，拉矫机及坯子重力直接作用在基础框架上，拉坯阻力通过拉矫机对基础框架产生影响。另外，扇形段第三段下端放置在基础框架上，会对基础框架产生影响。拉矫机基础框架受到以上三种外力的作用。可以先分别计算以上三种外力大小，然后再通过其反作用力施加到基础框架上。

2.2.2 拉矫机基础框架的边界约束条件

拉矫机基础框架中的竖梁通过螺栓与土建基础连接，在计算模型中，将其简化为固定约束，竖梁的两端固定。

拉矫机基础框架的施加载荷和边界约束条件如图3 所示。

图3 拉矫机基础框架的施加载荷和边界约束条件Figure 3 Applied load and edge restraint conditions of base frame of withdrawal and straightening machine

2.3 拉矫机基础框架网格划分

整个机构采用精度好的的六面体单元进行离散，共划分236161 个单元。如图4 所示。

图4 拉矫机基础框架的网格划分Figure 4 Grid division of base frame of withdrawal and straightening machine

3 拉矫机基础框架有限元分析说明

3.1 原设计模型仿真结果分析

初始设计方案的拉矫机基础框架应力分布如图5 所示。拉矫机基础框架不仅受到竖直力的作用，还受到向左的横向力作用，所以竖梁左侧受压，右侧受拉。最大应力出现在竖梁两端的筋板上，最大值为254.2 MPa。压应力出现在竖梁左侧。竖梁右侧的拉应力为242.6 MPa，且竖梁内部筋板的应力也较大。所以要对此处的结构进行修改，降低应力水平。

拉矫机基础框架前端的最大变形量为2.21 mm，变形量偏大。在此处应该适当增加筋板，加大此处结构的刚度，减小变形。

图5 初始设计方案的拉矫机基础框架应力分布Figure 5 Stress distribution of original designed base frame of withdrawal and straightening machine

3.2 优化后的模型仿真结果分析

优化设计后，拉矫机基础框架的变形如图6所示。拉矫机基础框架前端变形最大，为1.83 mm，且位于框架的中部。这是由于竖梁本身就有变形，中间的挠度最大，最大变形量为0.589 mm。为了考察竖直力和横向力对基础框架变形的影响，分别查看基础框架竖直方向和水平方向的变形，发现基础框架横向位移最大值为0.979 mm，竖向最大位移为1.552 mm，都出现在基础框架的前端。竖向力对结构整体变形影响较横向力大。

图6 优化设计后的拉矫机基础框架的变形Figure 6 Deformation of base frame of withdrawal and straightening machine after optimization design

优化设计后，拉矫机基础框架的应力分布如图7 所示。竖梁两端改为两块筋板后，最大应力依然出现在筋板上，最大应力值降为153.7 MPa，应力值降低明显。基础框架上其它部件的应力水平都比较低，最大为64.5 MPa。

图7 优化设计后拉矫机基础框架的应力分布Figure 7 Stress distribution of base frame of withdrawal and straightening machine after optimization design

4 结论

生产实践证明，优化设计后的拉矫机基础框架非常耐用，完全能满足大型断面拉矫机的使用工况要求。拉矫机基础框架的优化设计对同类大型钢结构件设计具有借鉴意义。

［1］张文玲，白莉.大方坯连铸机拉矫机的设计与研究［J］.冶金设备管理与维修，2001，19(2):5－7.