转炉夹持器间隙及倾动加速度对自调螺栓冲击力的影响

罗亚东，李友荣

(武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北 武汉，430081)

转炉夹持器间隙及倾动加速度对自调螺栓冲击力的影响

罗亚东，李友荣

(武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北 武汉，430081)

利用三维建模软件并结合转炉实际尺寸进行建模，运用多体动力学与有限元方法对转炉进行动态仿真。对自调螺栓以及球形垫片进行子模型细化计算，将炉体与自调螺栓接触面的位移作为子模型边界条件，在稳定的热胀状态下进行瞬态分析，通过危险位置应力曲线分析夹持器间隙、倾动加速度对自调螺栓冲击力的影响。结果表明，夹持器间隙越大，自调螺栓所受的冲击力就越大，自调螺栓的振动发生在倾动加速度较大的倾角位置。

转炉；夹持器；自调螺栓；倾动；振动；冲击力；仿真

自调螺栓型转炉在众多钢厂均有使用，其主要特点是能够随着炉体热胀冷缩而自动调整位置[1]。围绕其出现的异常振动以及自调螺栓断裂等问题，不少研究者对连接装置的瞬间冲击力、危险位置应力及连接件寿命进行了研究[2-4]。为解决复杂模型仿真问题，有采用子结构法[5]、刚柔耦合法[6-7]进行研究。研究表明，自调螺栓的受力状态与夹持器间隙、转炉倾动加速度以及转炉倾翻角度有关[8-9]。本文以某钢厂130 t转炉为研究对象，按照其模型尺寸、材料密度等参数建模，运用多体动力学软件对3个自调螺栓柔性化后进行动力学仿真。利用ANSYS软件对自调螺栓以及球形垫片进行子模型细化计算，将炉体与自调螺栓接触面的位移作为子模型边界条件，在稳定的热胀状态下进行瞬态分析，通过危险位置应力曲线分析夹持器间隙、倾动加速度对自调螺栓冲击力的影响。

1 转炉模型及仿真工况区间

1.1 转炉模型

采用三维建模软件对转炉及各倾角下的钢液建模，并计算出各倾角下的钢水重心位置[10-11]。转炉模型如图1所示。图1(c)中，上表面两组夹持器X1、X2与耳轴平行。图1(d)中，下表面夹持器X3、X5与X4、X6分布于耳轴两侧。夹持器X1～X6的间隙相应为L1～L6，夹持器间隙一般表示为：L=(D-d)/2。转炉模型参数如表1所示。

(a)转炉装配图 (b)倾角为60°时炉内钢液分布

(c)托圈上表面 (d)托圈下表面

图1转炉模型

Fig.1Convertermode

表1 转炉模型参数

1.2 仿真工况区间

选取倾动速度变化较大的工况时区进行分析，转炉倾角变化曲线如图2所示。为便于仿真过程参数设定，将仿真过程分为空炉分析与加钢水后分析。图2中,炉次开始与出钢后回炉为空炉转动过程，回炉炼钢、测温取样、出钢为转炉加钢水后转动过程，而加废钢兑铁水、吹炼、出钢准备均为相对稳定过程。

图2 转炉倾角变化曲线

2 转炉整体模型仿真

根据转炉运动学关系，设置耳轴与大地为旋转副，球面垫片与炉体为固定副，自调螺栓与螺母为固定副，自调螺栓与球面垫片为圆柱副与平面副，球面垫片之间通过球铰副连接，夹持器则定义接触。自调螺栓柔性化模型如图3所示。在图3模型中，取模态阶数为6，单元数量为11 430。A处设置自调螺栓与螺母的固定副，B、C处设置自调螺栓与球面垫片的圆柱副，D处设置自调螺栓与托圈的圆柱副，E处设置自调螺栓与球面垫片的平面副。由于自调螺栓与螺母及球面垫片通过固定副、圆柱副、平面副连接，所以在A、B、C、D、E区域内分别设置一个外联点，并通过Attachments将各区域表面所有节点分别与外联点连接，且计算出自调螺栓的MNF文件。图2中空炉转动过程与加废钢兑铁水后稳定过程分别编写为驱动程序，并在耳轴与大地的旋转副上设置仿真驱动。各个时刻的钢水重力与扭矩编写为作用力程序，并施加在炉体上以代替钢液对炉体的作用力。转炉系统仿真步长设置为0.05 s。以现场数据为依据，电机额定功率为160 kW，额定转速为985 r/min，倾动机构一次减速机速比为109，二次减速机速比为6.8。通过电机力矩计算出耳轴力矩，并与仿真力矩进行对比。倾动机构齿轮啮合简图如图4所示。耳轴仿真与现场测试结果如图5所示。从图5中可看出，仿真数据曲线与现场数据曲线变化基本一致，表明所作仿真模型及方法正确。

图3 自调螺栓柔性化模型

图4 倾动机构齿轮啮合简图

Fig.4Schematicdiagramofgearmeshingoftiltingmechanism

炉次开始 出钢后回炉

(a)空炉转动

回炉炼钢 测温取样 出钢

(b)加钢水转动

图5耳轴仿真与现场测试结果

Fig.5Comparisonofsimulationresultsandfieldtestresultsoftrunniontorque

3 转炉自调螺栓与球面垫片仿真

采用ANSYS对自调螺栓危险位置细画网格进行瞬态分析[12]，建立自调螺栓与球面垫片仿真模型。自调螺栓及球面垫片有限元模型如图6所示。图6(a)中，模型节点数量25 539，网格数量23 162，网格大小3.5 mm。图6(b)中，将J与K所在的平面与球面垫片之间分别定义为接触。为实现与球面垫片的上下移动，在H与I所在的圆环中点处分别设置耦合点，并将自调螺栓与球面垫片在圆环面上的所有节点耦合，同时将球面垫片节点的耦合自由度Y释放。在F平面中点处设置1个耦合点，并与平面内的所有节点耦合，且将G平面上的所有节点固定。利用ANSYS表格加载方法在F平面的耦合点上分别于X、Y、Z三个方向施加位移-时间载荷。通过定义PRETS179单元对自调螺栓施加预紧力，预紧位移为1.7 mm。

(a)自调螺栓及球面垫片仿真模型 (b) 自调螺栓剖面图

图6自调螺栓及球面垫片有限元模型

Fig.6Finiteelementmodelofself-adjustingboltandsphericalgasket

4 自调螺栓冲击力分析

4.1 夹持器间隙对自调螺栓振动的影响

空炉下自调螺栓应力变化曲线如图7所示。由图7中可看出，不同夹持器间隙下，自调螺栓的振动变化较大。炉次开始过程， 0°～-166°倾角区间，5 mm间隙时自调螺栓振动最大；而在其他倾角位置，15 mm间隙时振动最大。出钢后回炉过程，15 mm间隙时自调螺栓振动最大。加钢水后自调螺栓应力变化曲线如图8所示。由图8中可看出，测温取样过程， 5 mm间隙时自调螺栓振动较大。回炉炼钢与出钢过程， 15 mm间隙时振动最大。各工况下空炉自调螺栓应力变化曲线如图9所示。各工况下加钢水后自调螺栓应力变化曲线如图10所示。由图9及图10中可看出，夹持器间隙为0时自调螺栓振动最小，15 mm间隙时振动最大。用雨流计数法进行应力幅统计，炼1炉钢时自调螺栓应力幅(δa)统计如表2所示。结果表明，夹持器间隙越大，自调螺栓最大应力幅值越大，间隙为15 mm时，自调螺栓应力幅值最大。

炉次开始 出钢后回炉

图7空炉转动自调螺栓应力变化曲线

Fig.7Stressvariationcurveofself-adjustingboltundertheemptyfurnace

回炉炼钢 测温取样 出钢

图8加钢水转动自调螺栓应力变化曲线

Fig.8Stresschangecurveofself-adjustingboltafteraddingmoltensteel

图9 各工况下空炉转动自调螺栓应力变化曲线

图10 各工况下加钢水转动自调螺栓应力变化曲线

间隙/mm应力波动次数δa≥10MPa6MPa≤δa<10MPa2MPa≤δa<6MPa最大应力幅/MPa0610341951319612710101553301516206632

4.2 倾动加速度对自调螺栓振动的影响

图7与图8表明，在转炉转动过程中，自调螺栓振动发生在倾动加速度较大的倾角位置。从图8中倾动加速度曲线可看出，在出钢过程，100°左右的倾角位置倾动加速度较大，该倾角位置各间隙下均有较大振动产生。

5 结语

夹持器间隙过大是引起自调螺栓断裂的主要因素，随着夹持器间隙增大到一定程度后，夹持器间隙的增加所引起夹持器上的冲击增大，从而引起自调螺栓的冲击力增大。相同夹持器间隙下，转炉转动过程中倾动加速度的变化也会引起自调螺栓的冲击变化，自调螺栓振动发生在倾动加速度较大的倾角位置。

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[责任编辑彭金旺]

Influenceoftheconvertergripperclearanceandtiltingaccelerationontheimpactforceofself-adjustingbolt

LuoYadong,LiYourong

(Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control Technology of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Based on the real size of the converter, 3D modeling was carried out by using 3D modeling software. Dynamic simulation of the converter was conducted by means of multi-body dynamics and finite element simulation. The displacement of the interface between the converter body and the self-adjusting bolt was taken as the boundary condition of the sub-model, and transiently analyzed under the state of stable thermal expansion. The stress curve of dangerous positions was employed to analyze the influence of the gripper clearance and tilting acceleration on the impact force of self-adjusting bolt. The results show that larger clearance of the gripper brings about greater impact force on the self-adjusting bolt, and the vibration of self-adjusting bolt takes place when it is in the position of dip angle where tilting acceleration is comparatively large.

converter; gripper; self-adjusting bolt; tilting; vibration; impact force; simulation

TF341.1

A

1674-3644(2017)06-0432-07

2017-05-09

国家自然科学基金资助项目(51405353).

罗亚东(1990-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail：luoyadong1990@163.com

李友荣(1946-)，男，武汉科技大学教授,博士生导师.E-mail:liyourong@wust.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.06.006