4.5×3.5×3 型室式回火炉门横梁强度分析与结构优化

尹跃峰，赵大为，韩圣杰，董翠粉

（1.机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007；2.郑州宇通客车股份有限公司，河南郑州 450061）

0 引言

某铸锻车间的4.5×3.5×3 型室式回火热处理炉主要用于对铸锻件以及其他零件进行回火等热处理工艺，它由炉体、炉门及升降系统、助燃风系统、燃烧系统、热风循环系统、排烟系统及电控系统等部分组成，如图1 所示。

炉门横梁作为炉门及升降系统中的重要部分，是典型的变刚度截面梁结构，在以往的传统设计中，一直沿用的传统解析方法需要一系列的假设，其计算结果往往与实际相差很大，对其挠度的计算难以准确定位，为安全起见，往往对型钢的选型过大[1,2]。本文通过ANSYS Workbench 有限元分析软件对炉门横梁进行详细的强度分析和研究，旨在为4.5×3.5×3 型室式回火炉门横梁的校核及优化改进方案提供有力的理论依据，从而准确掌握部件的应力分布规律，节约材料、降低制造成本。

1 炉门横梁结构及受力分析

图1 室式回火炉主要结构图

4.5×3.5×3 型室式回火炉炉门横梁由两根长度为7 320 mm 的28 号Q235-A 热轧型钢作为主体，纵向分布11 块加强型钢通过焊接而成。炉门横梁顶部安装有炉门提升装置，根据材料力学知识，该炉门横梁可简化为图2 所示简支梁力学模型[3]。

图2 炉门横梁受力示意图

经分析计算，P1力的大小为39 700 N，对称作用在距衡量中心1 600 mm 位置处，F 力的大小为1 700 N，l=6.85 m，a=1.825 m。因Q235-A 的弹性模量E=210 GPa，28 号槽钢的截面惯性矩I=4 760 cm4，由叠加法可求得炉门横梁中点处的挠度fmax为[3，4]：

由于炉门横梁顶部要安装减速机提升装置，为保证水平方向的配合尺寸，需要保证炉门横梁竖直方向的变形量要满足提升装置中的滚子链联轴器的技术要求。由于GL8 滚子链联轴器允许的偏差为3.8 mm，轴向偏差角度为1°[4]，由前计算结果可得，炉门横梁的挠度转角θ=1.2°＞1°，该挠度变化超过GL8 滚子链联轴器的许用变形量，不符合设计要求，因此需要对炉门横梁的结构进行优化改进，以使其满足滚子链联轴器的使用要求。

3 炉门横梁结构改进及强度分析

3.1 炉门横梁结构改进

根据材料力学知识，采用改变横梁主体槽钢的型号的方法对整体的挠度变形量的改变影响甚微，结合以往的设计经验，在炉门横梁下方焊接两块10 mm 厚的Q235-A 钢板作为腹板，增加其整体的刚度，采用SolidWorks 建立的三维模型轮廓图如图3所示。

图3 炉门横梁结构图

3.2 炉门横梁强度分析

（1）网格划分

ANSYS Workbench 对SolidWorks、Pro/E、UG 等大型CAD 建模软件能实现真正的无缝联接,并在其统一的环境中实现各种模型的装配和CAE 工程分析。ANSYS Workbench 本身可以对网格划分进行详细的优化，特别是针对复杂不规则的机械零件网格模型可以进行特殊的优化，剔除无用因素，保留对结果起关键作用的因素，符合结构现实工况的需要[5,6]。由于炉门横梁结构并不是特别复杂，采用智能划分完全能满足工程实际，如图4 所示，这里采用Solid187 实体单元对炉门横梁模型进行网格划分，共划分为26 144 个单元，51 871 个节点。

图4 炉门横梁FEA 网格模型

（2）载荷与约束的添加

炉门横梁两端与炉门立柱通过焊接的方式固定在一起，炉门提升机构在工作时，横梁所受的载荷达到最大，在ANSYS Workbench 中对横梁两端添加固定约束。由前分析，将垂直于横梁表面竖直向下的力P1=39 700 N、力F=1 700 N 分别添加到提升机构支架、减速机支架与横梁的接触区域。

（3）强度分析结果

炉门横梁的材料为Q235A 型钢及钢板焊接而成，此类低碳钢结构失效的形式一般因塑性屈服而失效，因此在做数值分析时要选择Von Mises 等效应力作为结构强度的判断标准[5]。在ANSYS Workbench 中对星形架的各个支臂施加约束，并按照极限工况添加载荷后计算，获得的结果如图5、图6 所示。

图5 炉门横梁等效应力云图

图6 炉门横梁变形云图

从图5、6 可以看出，当炉门提升机构处于工作状态时，承受的工作载荷达到最大，此时炉门横梁的等效应力和变形均达到最大值。最大等效应力为79.434 MPa，远远小于Q235-A 型钢材料的屈服强度。从图6 可看出炉门横梁的跨中挠度为2.8 746 mm，此时炉门横梁的挠度转角为0.048°，远远小于GL8 滚子链联轴器允许的轴向偏差角度1°，由设计要求知，此时炉门横梁的跨中挠度变形符合GL8 滚子链联轴器的使用要求。

4 结语

（1）针对炉门提升机构以往传统设计中靠单纯增大型钢型号而刚度变化不大的现象，采用增加腹板的方式来减小炉门横梁的挠度，并运用ANSYS Workbench 对改进后回火炉的炉门横梁模型进行了结构分析，获得其应力与应变的分布情况，可知增加腹板可大大增强炉门横梁的刚度。

（2）改进后的结构满足炉门提升机构的技术要求，挠度变化在许用范围之内，为以后同类型的炉型设计提供了一定的理论基础和参考价值。

[1]李志刚，贾慧芳，罗强，等.基于ANSYS 的大型回转窑及其支承件结构分析[J].矿山机械，2014，42（8）：104-107.

[2]周贤.回转窑轮带受力模型及接触应力仿真分析[J].中南工业大学学报，2002，33（5）：526-529.

[3]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]成大先.机械设计手册(第三版)[M].北京：化学工业出版社，2000.

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

[6]许京荆.ANSYS 13.0 Workbench 数值模拟技术[M].北京：中国水利水电出版社，2012.3.