T2853台车式退火炉车架的静态特性分析

赵大为，尹跃峰，董翠粉

（1.机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450001; 2.郑州宇通客车股份有限公司，河南郑州 450061）

T2853台车式退火炉车架的静态特性分析

赵大为1，尹跃峰1，董翠粉2

（1.机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450001; 2.郑州宇通客车股份有限公司，河南郑州 450061）

台车车架作为台车式退火炉的重要组成部分，在承载工件、完成退火处理的过程中发挥着重要作用。针对车架传统设计中强度及刚度设计往往偏大的现象，采用SolidW orks S imulation有限元分析软件对T2853台车车架进行强度及刚度的静态特性分析，得出其应力与变形云图，验证其设计的可靠性与合理性，为车架的强度与刚度校核提供了参考。

退火炉；车架；静强度；刚度

0 引言

工业炉是在工业生产中，利用燃料燃烧或电能转化的热量，将物料或工件加热的热工设备[1]。T2853台车式退火炉是采用天然气作燃料，用于对某内燃机车发动机机体铸件消除应力的退火处理。主要由炉体及炉衬、炉门及升降系统、无动力台车、横向转运车及推拉机构、地面板链驱动系统、燃烧系统、天然气供气系统、助燃风系统、密封及气动压紧系统、排烟系统和电气控制系统等部分组成。

其中无动力台车钢架结构需充分考虑集中载荷较多的情况，保证台车不易变形、行走平稳。目前在设计过程中对台车钢架结构的校核计算都是采用传统的材料力学知识进行，为保证结构的安全性和可靠性，往往导致设计出来的结构尺寸偏大，不仅占用空间、耗费材料，而且也不符合当前节约、高效的时代主流。

本文采用SolidWorks设计软件和有限元分析方法，可在设计早期对T2853台车式热处理炉无动力台车车架设计中存在的薄弱环节进行适度的修正及优化，对其进行强度和刚度的静态特性分析，获得其应力分布、应变情况，判断结构的可靠性，最大限度的提高设计的经济性[2-3]。

1 台车结构及工况分析

图1所示为T2853台车式退火炉的无动力台车结构，车架（图1件4）主体结构为Q235-A材质的25#槽钢和工字钢结构，结构尺寸为6 800×5 100 mm（长×宽），属于大尺寸结构件。车架底部左右两侧对称分布有两块6 570×250×30 mm（长×宽×厚）（如图1中件5）的车架承托板，材质亦均为Q235-A，用于台车车架在中转机构上的支撑。

图1 T2853台车式退火炉无动力台车结构

台车在满负荷使用时，台车车架所受的载荷包括装载的内燃机机车发动机机体铸件、隔热层耐火砌体和垫铁等，总质量为90 t，受力状况较为恶劣，故需对台车车架结构进行强度和刚度的静态特性分析，验证其结构的合理性。

2 失效形式及强度评价标准

T2853台车式退火炉车架的槽钢及钢板均采用Q235-A材质，该材质的结构件的失效形式一般为塑性屈服，应采用第四强度理论（即畸变能密度理论）对车架进行应力强度的评价[4]。

根据材料力学相关知识，可知畸变能密度为：

其中，μ为弹性常数，σ1、σ2和σ3依次表示第一、第二和第三主应力[4]。

根据该台车的工作状况及承受载荷，参考《机械设计手册》[5]，确定台车车架的安全系数为n=1.5，可知该车架的最大许用应力：

3 台车车架的有限元模型建立

为保证有限元分析求解的正确性，台车车架的几何模型必须能用正确的、适度小的有限单元进行网格划分，通常情况下，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的要求[2]，忽略对主体影响甚微的因素，对其进行适当的结构简化[6]。由于本模型为规则对称实体，故在进行SolidWorks Simulation有限元分析时只取该模型的1/10，以降低分析时的运算量和对计算机配置的要求。

本文对台车车架整体采用默认基于曲率的四面体网格划分方法，在易产生应力集中的区域进行适当的网格控制，确保网格划分的单元质量。网格划分后的有限元模型如图2所示，单元总数为114 342个，节点数为216 010个，自由度数为646 311个。

图2 台车1/10车架网格划分结果

4 台车的静态特性分析

（1）载荷和约束条件

台车车架与下方的车架承托板5采用焊接方式固定在一起，整体负载依靠承托板支撑在台车下方的中转机构上，当台车在极限工况工作时，其载荷达到最大。由于台车实际工作中车体的温度约为70 ℃左右，且此处仅取台车车架的1/10作分析，因此，在SolidWorks Simulation中对台车车架上顶面只需添加F=90000N的力，将下方的车架承托板添加固定约束，分析环境温度设置为70 ℃。

（2）静态特性分析结果

台车车架由Q235A材质的25#槽钢、25#工字钢、δ10 mm顶钢板和下方δ30 mm承托板焊接而成，此类低碳钢结构发生失效的形式一般为塑性屈服，因此对其进行数值分析时应选择Von Mises等效应力作为车架静态结构强度的评价标准[5]。在SolidWorks Simulation中进行有限元分析后的结果如图3、图4所示。

图3 台车1/10车架等效应力云图

图4 台车1/10车架变形云图

当台车处于极限工况时，车架受到的工作载荷最大，此时车架的等效应力和变形均达到最大值，从图3可以看出，车架的最大等效应力发生在车架主体的车架承托板处的型钢上，最大等效应力数值为73.33 MPa，远远小于车架的最大许用应力156.7 MPa，台车车架的强度可靠性符合设计要求；从图4可以看出，台车车架在极限工况时的极限变形量最大的地方位于车架跨中区域，仅为0.93 mm，刚度也符合设计要求。

5 台车的现场应用简况

根据上述计算结果设计应用的台车如图5所示，经过现场工件的满负荷装载和入炉试运行，整体强度及刚度情况表现都较好，没有出现台车变形超标的情况，进而也验证了SolidWorks Simulation数值分析的正确性。

图5 台车现场应用情况

6 结论

（1）采用SolidWorks Simulation有限元分析软件，对T2853台车式退火炉车架进行静态应力和刚度特性分析，满足了台车的技术参数指标，为台车设计提供了强有力的理论支持，较大程度的降低了设计和制造成本，并成功应用在设备安装现场。

（2）采用SolidWorks Simulation有限元分析和传统材料学理论计算相结合的方法对台车车架结构进行设计，设计结构更加合理，符合当今节约、高效的设计理念，为车架的强度与刚度的校核提供了参考，也在一定程度上为后续相关设备的设计提供了理论依据。

[1] 王秉铨. 工业炉设计手册(第3版)[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 陈国荣，唐绍华. 汽车驱动桥桥壳强度与模态的有限元分析[J].机械设计与制造，2010（2）：42-44.

[3] 郝凯强，平雪良，李巍. 基于Pro/E和Workbench的炉窑直角搬运机器人结构设计与分析[J]. 机械传动，2014（7）：100-103.

[4] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5] 闻邦椿.机械设计手册(第五版)[M].北京：机械工业出版社，2010.

[6] 黄国权.有限元法基础及ANSYS应用[M]. 北京：机械工业出版社， 2004.

[7] 李绍峰, 杨红星.铸件燃煤退火炉的改造[J]. 中国铸造装备与技术,2001(6).

Analysis of static characteristics of T2853 annealing furnace frame

ZHAO DaWei1,YIN YueFeng1, Dong CuiFen2
（1.No.6 Institute of Design and Research Mechanical Industry, Zhengzhou 450007,Henan,China; 2.Zhengzhou Yutong Bus Co.,Ltd., Zhengzhou 450016, Henan, China)

As an important part of the car-type annealing furnace, the frame plays a momentous role in the process of carrying workpieces and completing the annealing treatment. In the traditional design, the designers usually select a big factor of safety to guarantee the frame’s strength and stiffness. Considering this phenomenon, this paper applies the finite element analysis software SolidWorks Simulation to the analysis of static strength and stiffness for the frame of T2853 car-type furnace and obtains the stress and deformation diagram. The results verify the reliability and rationality of the frame design, which is also providing a reference for the strength and rigidity check.

annealing furnace; frame; static strength; stiffness

TG155；

A；

1 006-9658（201 6）04-0084-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.023

2016-04-07

稿件编号: 1604-1328

赵大为（1984—），男，工程师，主要从事工业炉方面的设计及研发工作.