基于有限元法的钢包回转台底座强度及回转轴承失效分析

熊莹，陈德勇(宝钢工程技术集团有限公司，上海201999)

基于有限元法的钢包回转台底座强度及回转轴承失效分析

熊莹，陈德勇
(宝钢工程技术集团有限公司，上海201999)

回转台底座是连铸钢包回转台设备中重要的结构件，其强度高低直接决定着整台设备的好坏以及回转轴承寿命长短;结合项目中所遇到的问题，通过Inventor三维建模，以及有限元ABAQUS分析软件进行静强度分析，得出了钢包回转台在不同工况情况下的底座的应力和变形量分布，进而对钢包回转台底座及轴承结构的强度和刚度进行分析，并进行优化;分析轴承破坏的主要原因，为设备的改造方向提供理论依据。

回转台底座;回转轴承;三维建模

0　前言

是连铸车间的重要钢包支撑及承运设备，通常布置于连铸车间的钢水接受跨和连铸浇注跨之间。钢包回转台通过固定方向旋转180°，承接来自炼钢车间的满载钢水的钢包，并从待包位运送至浇铸位浇铸，同时将浇铸完钢水的空钢包从浇注位回送至待包位并等待接收下一包钢水;钢包回转台所承受的工况载荷复杂、环境恶劣，整个过程中钢包回转台所承受的载荷包括有对称载荷、非对称载荷、回转台倾翻力矩载荷，同时，在回转台受包和旋转的过程中存在冲击载荷，故需要求钢包回转台的工作过程绝对可靠。

钢包回转台底座作为回转平台的支撑结构，承载着上部旋转体、钢包及钢包中的钢液，底座结构件的强度和刚度直接决定着整台设备的安全性及与其所连接的回转轴承的寿命，而在设计过程中，往往由于钢包回转台底座结构相对简单，而忽视对其强度的全面分析;钢包回转台在设计的过程中必须对其结构的强度、刚度以及所有的动力特性、冲击载荷进行全面分析以确保结构的安全可靠。

本文根据某钢铁厂2#连铸机钢包回转台的更换轴承的改造项目，对回转台回转支承轴承的失效原因进行分析，运用软件Inventor对每个零部件的三维实体建模，并完成结构组装图，通过Inventor和ABAQUS的数据接口，将在Inventor中建立的几何模型导入到ABAQUS中建立有限元分析模型，最后通过ABAQUS软件对钢包回转台底座及回转轴承进行了静应力分析，同时对回转轴承进行了疲劳分析，获得了对钢包回转台底座和回转轴承在不同工况下的工作时的应力、变形量的全面认识。

1　几何模型建模及有限元分析

钢包回转台在不同工况条件下工作时，其回转台底座所承受的工况载荷也不同，为此需对每种工况下的钢包回转台底座进行分析，回转台底座由不同厚度的钢板焊接成，钢板材料及机械性能见表1。

该钢包回转台在不同的工况条件下，底座所承受的力和力矩情况见表2。动载荷系数k =1.4。

表1　回转台底座钢板材料及机械性能Tab.1 Materials and mechanical properties of ladle turret base plate

表2　钢包回转台底座受力状况Table 2 Force status of ladle turret base

1.1三维模型建立

根据该钢包回转台底座图纸，在Inventor中创建三维零件模型，并组装各个零部件，得到整体结构，底座的每个零部件均通过焊接方式连接;回转轴承通过M40的高强螺栓联接，三维实体模型如下图1所示。

图1　钢包回转台底座三维模型Fig.1 Three-dimensional of ladle turret base

1.2有限元分析模型建立

通过Inventor与ABAQUS的数据接口，将钢包回转台底座及回转轴承的三维模型导入到ABAQUS中，由于焊接区域存在较多的焊缝，且焊缝区域钢结构晶相组织及应力情况发生变化，在此不予考虑，并将钢结构焊接区域看做是完好联接区域。

根据实际需要以及事先对结构的关键部位的分析，在划分网格时，对设备进行分析，对应力比较集中部位的采用较稠密的网格，对强度比较高的部位采用较粗的网格，以达到既能减小计算规模又能更加精确计算的结果;本次利用ABAQUS软分析，反复多次的修改网格，最终整体共划分出578 622个单元数，1 314 576个节点数(轴承单元数划分相对密集，底座单元数划分相对稀疏)。

2　边界条件确定及模型计算分析

2.1边界条件确定

在实际生产中，钢包回转台底座是通过底面的法兰面上的90个地脚螺栓与钢筋混凝土相连接，在模型分析中，将通过给底面添加固定约束，即约束底面的6个自由度。在模型建立过程中，由于回转轴承保持架及密封件为辅助元件，对整个模型的分析影响较小，此处在建模分析的过程中将忽略。

2.2模型计算分析

通过ABAQUS软件分析可得，在工况I下，整个钢包回转台底座结构的最大Mises等效应力及出现的部位及最大变形量区域如图2所示;在工况II下，最大Mises等效应力及出现的部位及最大变形量出现位置如图3所示;在工况III下，最大Mises等效应力及出现部位及最大变形量出现位置如图4所示。

图2　工况I底座等效应力和变形Fig.2 Condition Iequivalent stress and deformation of base

图3　工况II底座等效应力和变形Fig.3 Condition IIequivalent stress and deformation of base

图4　工况III底座等效应力和变形Fig.4 Condition IIIequivalent stress and deformation of base

各部件的最大应力最大变形量及所在部位如表3所示。

钢包回装台底座在工况II(最具有破坏性的工况)下的最大Mises等效应力为314 MPa，出现在底座内部的筋板上部，实际情况中，底座筋板在先进的焊接工艺下，其应力水平将大大低于该数值;回转轴承在工况II下最大的接触应力为2 610 MPa，出现在弯矩所在平面下滚柱外侧边缘，根据相关资料［1］得到，当滚柱直径大于25 mm时，许用接触应力大于2 999 MPa。从本次分析结果看，最大变形量为6.297 mm，出现在回转轴承外圈。

表3　最大应力、最大变形量及所在部位Tab.3 Themaximum stress，deformation and their sites of base

3　回转轴承寿命分析

根据滚动轴承的载荷与寿命关系式可得:

Pζ·N=K(常数)

式中，P为当量动载荷;N为轴承基本额定寿命;ζ为指数，球轴承为3，滚子轴承为

选择工况II载荷进行理论寿命计算，得出计算出额定寿命N约为3.3×104r，根据该钢铁公司2#连铸机的作业率，一天平均近20转计算，钢包回转台的使用寿命为4.7年(保守估算)。在实际生产中，钢包回转台轴承由于失效卡死而不得不每隔2～3年更换一次。

4　底座优化结果

根据以上分析结果，对钢包回装台底座进行改进和优化，将底座内侧筋板延长至上部法兰下边缘，同时，底座外侧增加三角筋板，加大相关筋板厚度，并在应力可能集中部位进行倒角和相应处理，避免应力集中。优化后的应力及变形量大小和发生部位云图如图5所示。应力2 458 MPa，变形6.538 mm。

图5　底座等效应力和变形Fig.5 Equivalent stress and deformation of base

5　结束语

通过有限元软件对钢包回转台底座及回装轴承进行分析，得出了回转轴承及底座的应力和变形;提出钢包回转台回转轴承在承载能力允许的情况下避免加速破坏的主要方法是延长机件磨损准则曲线中的中间段，即延长稳定磨损期;为回转轴承改造及维护和保养提供了指导。

［1］沈伟毅，史锡光，苏立樾，等．42CrMo钢制转盘轴承许用接触应力的试验研究［J］．轴承，2009 (2):34－36．

［2］孙亚斌．三排圆柱滚子回转轴承寿命的计算方法［J］．起重运输机械，2000(1)．

［3］叶永祥．连铸钢包回转台回转轴承故障分析［J］．冶金设备，2008(4)．

［4］刘俊日，孟广兵．钢包回转台回转臂冲击系数分析［J］．重型机械，2011(3):45－47．

［5］金光振，范勤，严爱军，等．钢包回转台地脚螺栓的预紧力研究［J］．湖北工学院学报，2003(2): 100－102．

［6］阎松叶．钢包回转台回转支承紧固［J］．科技信息，2010(13)．

［7］吕华强，王黎钦，古乐，等．滚动轴承疲劳寿命数值仿真技术的研究［J］．机械研究与应用，2005 (5)．

［8］张翀宇，崔福龙．钢包回转台整体结构数值计算［J］．连铸，2011(1)．

［9］濮良贵，纪名刚．机械设计(8版)［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［10］汪永波，刘会领．大包回转轴承失效原因及对策［J］．机械工程师，2011(6)．

［11］李现友，段伟．Inventor有限元分析模块的实例应用［J］．包头职业技术学院学报，2009(4)．

Strength analysis of lad le turret base and failure analysis of revolving bearing

XIONG Ying，CHEN De-yong
(BaoSteel Engineering Technology Group，Shanghai201999，China)

Revolving base is a quite important structural part in casting ladle turret equipment，whose strength will directly determine quality of the entire ladle turret device and life of the rotary bearing．According to problems in production，By INVENTOR 3D model and finite element analysis-ABAQUS software，the static strength analysis of the ladle turretbase is done，and the stress and strain distribution in different conditions are obtained．The strength and stiffness of ladle turret base and bearing are analyzed，and the structure is optimized，themain reason of bearing damage is found，it provides the theory basis to reform equipment．

ladle turret base;revolving bearing;3Dmodel

TF341.6

A

1001－196X(2015)02－0075－04

2014－10－20;

2014－12－05

熊莹(1987－)，男，宝钢工程技术集团有限公司助理工程师。