高炉布料器回转支承偏载条件下螺栓疲劳分析

曾维霆，陈满意

(武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430000)

0 前言

炉炉顶布料设备作为高炉炼铁的核心设备之一，其技术水平直接关系到钢铁生产的质量和效率。传统的钟式布料器已有150年的历史。随着高炉冶炼技术的发展，传统钟式布料设备逐渐暴露出其在炼铁生产过程中存在着布料不均，高炉设备结构复杂沉重，气密性差等缺点[1]。

直至20世纪70年代，PW公司首先推出了无料钟炉顶布料设备，相比于传统的钟式布料器，无料钟炉顶布料设备具有整体结构简单、重量轻、传动效率高、布料灵活等优点，能够满足高炉复杂环境的操作要求，在世界各国冶金行业广泛运用[2]。无料钟高炉水冷齿轮箱作为高炉布料器设备的核心部件，长期工作在重载、高温、多粉尘的复杂环境中，其运行状态的好坏直接影响炼铁的质量和效率。如果支撑整个齿轮箱的回转支承发生故障，则需保温72 h[3]，这严重影响了高炉的正常运转。因此，对无料钟高炉水冷齿轮箱的维护检修工作就显得尤为重要。通常只需要对齿轮箱及其结构进行相应的静力学分析和动力学分析就可以得出相应的结果用以指导水冷齿轮箱的维护检修。

高炉布料器中螺栓的强度校核、齿轮的强度计算和回转支撑的强度计算都是在回转体中心线与几何中心线重合的情况下建立的。且实际生产中出现了个别螺栓崩断的情况，高炉布料器中心线偏斜被认为可能是引发螺栓崩断失效的原因，造成中心线偏斜的原因是多方面的，主要原因有三种。其一，由高炉布料器安装时的安装误差引起。高炉布料器的安装，首先安装炉顶钢圈基准，该基准是其后所有零部件的安装基准，再安装回转支撑和大齿圈，在安装过程中无法保证所有零件都无安装误差，此外，长时间的运转也可能导致炉顶钢圈失去平衡。其二，由物料冲击造成的误差。高炉布料器的本质就是通过溜槽的不同运动形式从而实现不同的布料形式。由于溜槽的倾动中心并不与齿轮箱的中心轴线重合，溜槽自身重达数吨，并时刻受到炉料的不均匀冲击，必然导致高炉布料器中心轴线的倾斜。其三，由热变形造成的误差，因为炉顶的高温工作条件使得回转支撑产生变形[4]。如果存在中心线倾斜现象，由上回转支撑承载的垂直向下约3×104N 的力将会偏离几何中心，从而产生一个倾覆力矩，导致螺栓受力不均。严重时可导致螺栓崩断失效，进而导致整个水冷齿轮箱失效，造成高炉休风，承受巨大的经济损失。

1 齿轮箱结构分析

高炉布料器是高炉炼铁的重要组成部分，而高炉水冷齿轮箱作为布料器的核心部件，其正常运转与否直接关系到高炉炼铁的成败。高炉齿轮箱是通过两个输入端、三条传动链带动布料溜槽形成三种不同的运动形式：旋转运动、倾动运动、既旋转又倾动运动。最终根据布料溜槽的不同运动形式形成布料溜槽的不同布料方式[5]。

水冷齿轮箱零件众多，结构复杂，主要由上部差动行星减速器、外罩、回转支承、气密箱、左右倾动装置以及溜槽等部件组成。其中差动行星减速器、回转支承、左右倾动装置以及溜槽为主要的传动部件，传递运动和力。气密箱内旋转套筒和回转支承为主要的旋转部件，外罩、中心喉管、耐火支架等为主要的固定支撑部件，使整个水冷齿轮箱紧紧与底座固接在一起[6]。

差动减速器、外罩、进水法兰与中心喉管等部件通过焊接或螺栓与底座固接在一起，在齿轮箱运转过程中不会发生中心线偏斜。而上回转支承、大齿圈和倾动装置等旋转部件在齿轮箱运转过程中由于炉料的冲击、安装误差、运行，环境常常发生旋转中心线偏离其几何中心线的情况，从而使回转支撑上的连接螺栓受到回转体不均匀载荷，易发生疲劳失效。

图1 布料器中心轴线倾斜结构图

2 布料器中心轴线偏斜状态下螺栓强度校核

2.1 计算方法

螺栓连接是通过一个或多个螺栓将两个或多个零件连接在一起的可拆卸的连接。螺栓连接的计算基于螺栓的弹性特性决定的。螺栓的受力与变形可以变化成弹簧的模型。在主要承受轴向载荷的螺栓连接中，螺栓受预紧力F0，工作中受到工作载荷F1以及总拉力F2，其关系式为

(1)

式中，C1为螺栓刚度；C2为连接件刚度。

2.2 机架与回转支承连接受力分析

回转支承内圈与机架由44个周向分布的M20的螺栓连接，整个回转体连接在回转支承外圈上。因此整个回转体重量约为3×104N，且全部由回转支承和机架之间的螺栓承载。此时连接件为机架与回转支承内圈，在研究连接螺栓时，把回转体和回转支承内圈视为一个整体，从而得到回转支承内圈与机架连接受力分析[7]。

在布料器中心轴线未发生偏转时，回转体的重心经过布料器中心轴线，即可直接把总载荷Fn简化到回转支撑内圈几何中心，如图2a所示。而当回转体中心线发生偏转时，质心偏离布料器中心轴线，如图2b所示。把载荷平移到回转中心线上再沿几何中心线方向和垂直几何中心线方向分解，得到一个轴向载荷Fn1和径向载荷Fn2，还有一个倾覆力矩M，如图2c所示。

图2 连接螺栓受力分析

2.3 计算过程

上回转支撑内圈与机架的螺栓连接受力如图2所示，图中Fn1、Fn2、M、Fn与θ的关系式如下：

Fn1=Fn·cosθ

(2)

Fn2=Fn·sinθ

(3)

M=Fn·h·2 sinθ

(4)

式中，h表示回转体质心距离机架的距离。

由于载荷不均，导致周向分布的螺栓受力不均，于是需要找到受力最大的螺栓并对他进行强度校核。由图2c可知，回转支撑通过44个周向分布的螺栓连接在机架上，依次对44个螺栓进行编号。从图中可以看出因为受到倾覆力矩的影响，回转支撑左半边的螺栓将进一步被拉伸，而右半边螺栓受到的拉力将会减少。通过受力分析可以得到力学方程为

(5)

Fn1=44×Fni

(6)

Fn2=44×Fτ

(7)

式中，z为螺栓的个数；FMi为编号为i的螺栓因倾覆力矩而受到的轴向拉力，N；Fni为编号为i的螺栓因轴向载荷Fn1而受到的轴向拉力，N；Fτ为螺栓受到的切向力，N；Ψi为i号与1号螺栓之间的夹角。

受倾覆力矩影响，22号螺栓为受拉力最大螺栓，所受拉力为

(8)

由此可知受力最大的螺栓受到的拉力为

Fmax=Fnmax+Fni

(9)

且因为上回转体在工作期间持续旋转，质心位置持续变化。可认为螺栓实际受到的拉力在一个范围内成正弦函数分布，且峰值为2Fnmax，则连接螺栓的疲劳应力幅为2Fnmax。螺栓受力具体变化情况如图3所示。

图3 单个螺栓在回转支撑旋转过程中的受力

本文中上回转支撑与机架M20连接螺栓材料与属性如表1所示。

表1 螺栓材料

2.4 螺栓拉应力校核

经校核发现当布料器中心轴线偏斜时连接螺栓的最大拉应力远远小于材料拉应力。实践证实失效的螺栓中有90%属于疲劳破坏，所以本文对连接螺栓的疲劳强度进行校核。

编号22的螺栓是此刻受最大拉力的螺栓，只需要对该螺栓进行拉应力校核就能确定整套连接螺栓是否安全。22号螺栓所受的拉应力可由式(10)得

(10)

当高炉布料器中心轴线不发生偏斜时，求得σca=14.25 MPa。当高炉布料器中心轴线偏斜达到1°时，求得σca=14.56 MPa。变化较小且远小于螺栓的许用拉应力。

依据机械设计原理以及螺栓破坏机理。约90%螺栓破坏属于疲劳破坏，且大量实践也证实了这一观点。因此必须对该螺栓进行疲劳强度校核。

螺栓疲劳强度的校核公式为

(11)

式中，d1表示螺杆螺纹小径，mm；Kt表示温度对疲劳应力的系数。

受轴向载荷的螺栓连接疲劳许用应力为

(12)

式中，ε为螺栓的尺寸系数；σ-1t为螺栓材料的抗拉疲劳极限，MPa；Sa为安全系数；kσ为螺纹的有效应力集中系数。

带入螺栓相关参数以及查表所得系数，求得高炉布料器中心轴线偏斜0～1.7°时，螺栓疲劳应力以及螺栓连接疲劳许用应力如图4所示。

图4 中心轴线偏斜0～1.7°情况下连接螺栓疲劳应力变化

由图4可知，在解析方法中，求得保证螺栓不发生疲劳破坏的最小倾斜角度为1.6°。

3 螺栓连接有限元分析

因解析方法是通过简化模型求解的，且带入系数均在一定范围内选取，为了验证解析方法的准确性，本文使用有限元方法进行验证。选用ABAQUS 有限元分析软件来研究受力不均的螺栓连接受力，其擅长对庞大模型中的复杂非线性问题的求解。

3.1 模型建立

因每个螺栓在高炉布料器中心轴线倾斜情况下受力情况不同，所以必须整体分析。可从三维建模软件中导入已装配好的机架、上回转支撑内圈、螺栓，并且设置所有零件的材料属性。

表2 连接元件材料

因螺栓所处工作温度80℃高于环境正常温度25℃，需要考虑温度对材料应力的影响。因此，先将模型导入温度模块求解，再把结果带入力学分析模块。

3.2 网格划分及边界条件设置

为了保证接触计算精度，采用三维六面体实体单元对几何模型进行有限元网格划分。单元类型选取线性缩减积分单元以减少计算工作量。缩减积分单元应具有：对位移求解结果较精确；网格扭曲对分析精度影响不大；在弯曲载荷下不容易发生剪切自锁。

选择通用接触(general contact)来定义螺栓、机架和回转支撑内圈之间的接触关系。定义法向接触类型硬接触(hard contact)，切向接触类型为罚接触，摩擦系数0.02。

对机架圆柱面施加固定约束，并对所有螺栓施加预紧力，对上回转支撑内圈施加倾覆力矩M，M大小会随高炉布料器中心轴线偏斜而改变，所以需要建立多组角度不同的模型。寻找到每组模型中受应力最大的螺栓并记录应力值。

3.3 有限元结果对比

通过上述模型求解得到多组螺栓最大应力数值与解析法数值对比得到结果如图5所示。

图5 中心轴线偏斜0～1.7°情况下连接螺栓疲劳应力比对

由此可知有限元软件计算的螺栓所受最大疲劳应力略大于理论计算的螺栓疲劳应力，也证实了理论计算的正确性。为安全起见本文取有限元软件计算的结果为准。在不超过此工况条件下的螺栓疲劳应力极限[σa]=6.92 MPa的情况下，由图5可知，保证连接回转支撑内圈和机架的螺栓在工作周期内不发生疲劳破坏极限的布料器中心轴线偏转角度为1.1°。

4 结束语

针对高炉布料器由于多种因素的影响导致中心轴线发生偏斜，本文通过解析法和有限元软件两种方法进行求解最大疲劳应力。对比两种求解方法所得数值，选用有限元求解的应力作为校核强度的疲劳应力。制定确保连接上回转支撑和机架螺栓不发生疲劳破坏的布料器中心轴线偏斜角度范围是0～1.1°。该课题通过两种方法求解出能够保证螺栓安全的布料器中心轴线倾斜范围，还需要设计实时监测布料器中心轴线倾斜角度的设备，且能在倾斜角度超过工作条件时报警；当布料器中心轴线偏斜角度超过1.1°时，应采取适当的方法对倾斜进行校正。