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辽宁科技大学硕士论文 摘要 l f 炉钢包运输台车结构有限元分析与研究 摘要 在我国，随着连铸比的大幅度提高，l f 炉也迅速地发展起来，成为当代最主要 的炉外精炼设备。 钢包运输台车是炉外精炼中的一种必不可少的运输设备。为了满足安全快速的 生产，钢包车的设计要求也越来越高。 我国对于一般车架的设计及强度校核是依靠传统的经验和方法，具有简单易行 的优点，目前在我国的车辆设计计算中仍起一定的作用。由于经验设计带有相当的 盲目性，每次车架的设计改进都不会有明显的突破；而且设计周期长，使得车架的 更新换代的速度比较慢，车架各部分强度分配不合理。由于经验分析设计方法以上 的不足，生产厂家迫切要求一种合理降低车架自重又能与市场竞争相适应的新的优 化设计方法，来提高公司效益，提升产品档次，本文运用有限元法结合参数化建模， 可实现车架结构的整体刚度和应力分析及优化设计。 本论文采用传统的经验分析方法对车架进行设计和强度校核，确定钢包运输台 车基本方案的设计。 本论文的主要工作是科用三维机械设计软件s o l i d w o r k s ，对l f 炉钢包运输台车 进行三维实体建模，并在一定的装配顺序下对实体模型进行计算机虚拟装配。结合 钢包运输台车的使用情况，建立了有限元分析模型。根据钢包运输台车的工作状态 模拟施加载荷和约束，采用c o s m o s w o r k s 软件对台车车架进行有限元分析，最终得 出钢包运输台车的应力和应变云图，确定了危险点和危险截面。在保证车架强度， 提高材料利用率的前提下，利用c o s m o s w o r k s 对车架进行优化设计。最后用实验研 究的方法对设计后的车架进行检验。 本文的研究不仅为车架的一般设计提供了参考和依据，解决了企业的实际问 题，同时对车架的优化设计提供了新的思路和可行的具体路线。为同类研究提供了 良好的借鉴。 辽宁科技大学硕士论文 t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f l a d l e f u r n a c eb u g g y ss t r u c t u r e a b s t r a c t i no u rc o u n t r y ， a l o n gw i t ht h ee o n t i n o u sf o u n d r y r a t i oi s l a r g es c a l e e n h a n c e m e n t t h el a d l ef u r n a c ea l s or a p i d l yd e v e l o p s ，b e c o m e st h ec o n t e m p o r a r y m o s tm a i nt h ef i n i n ge q u i p m e n to f t h ec o n v e r t e ro u t s i d e t h el a d l ef u r n a c eb u g g yi so n e1 【i n do fe s s e n t i a lt r a n s p o r tv e h i c l eo u t s i d et h es t o v e i nt h ef i n i n g i no r d e rt os a t i s f yt h es a f ef a s tp r o d u c t i o n ，t h ed e s i g nr e q u e s to fl a d l e f u r n a c eb u g g ym o r ea n dm o r ei sa l s oh i 啦 h io u rc o u n t r y ，t h ed e s i g na n dt h ei n t e n s i t ye x a m i n a t i o no f t h ef r a n l ei sd e p e n d s u p o nt r a d i t i o n a le x p e r i e n c ea n dm e t h o d ，i ti sv e r ye a s yt od o ，a tp r e s e n ti ts t i l lp l a y e d ac e r t a i nr o l ei nv e h i c l e sd e s i g na n dc a l c u l a t i o ni no u rc o h l l h y b e c a u s et h ee m p i n e a l d e s i g nh a st h es u i t a b l eb l i n d n e s s ，e a c ht i m et h ef r a m ed e s i g ni m p r o v e m e n tc a n n o t h a v et h eo b v i o u sb r e a k t h r o u g h ；m o r e o v e rd e s i g nt i m el o n g ，e x l u s e $ t h ef r a m et h e r e n e w a ls p e e dq u i t et ob es l o w ，e a c hp a r to ft h ef r a m ei n t e n s i f i e sa s s i g n m e n ti s u n r e a s o n a b l e b e c a u s et h ed e s i g nm e t h o do f e x p e r i e n c e sa n a l y z e si si n s u f f i c i e n c y ，t h e c u s t o m e r n e e d o n e k i n d r e a s o n a b l y d e s i g n m e t h o d t or e d u c e t h e w e i g h t o f t h e f r a n l ea n d r a i s et h em a r k e tc o m p e t i t i o n ，e n h a n c e st h ec o m p a n yb e n e f i t ，p r o m o t ep r o d u c ts c a l e i nt h i sa r t i c l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt ob u i l dt h ep a r a m e t e rm o d e l ，m a yr e a l i z e t h eo v e r a l lr i g i d i g c a n dt h es t r e s s a n a l y s i sa n dt h eo p t i m i z e dd e s i g no ft h ef 1 2 1 n l e s t m c t u r e i nt h i sp a p e rf i r s tt h ed e s i g nm e t h o do f t h et r a d i t i o n a le x p e r i e n c ea n a l y z ei sd o n e ， t h ed e s i g np r o j e e r o f l a d l ef u r n a c eb u g g yi sd e c i d e d t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri su s es o l i d w o r k st od e s i g nt h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t y o ft h el a d l ef u r n a c eb u g g y m e a n w h i l ea l o n gc e r t a i no r d e ra s s e m b l et h e s ep a r t s a c c o r d i n gt oa c t u a lc i r c u m s t a n c eo f t h el a d l ef u r n a c eb u g g y ，h a se s t a b l i s h e dt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm o d e l ，e x e r tt h el o a da n dt h er e s t r a i n t ，u s e sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ec o s m o s w o r k st oc a r r yo nt h es t a f i ca n a l y s i st ot h ef r a m e ，f i n a l l yo b t a i n s t h es t r e s sa n dt h es t r a i nn e p h o g r a mo ft h el a d l e f u m a c eb u g g y ，一：，h a sd e t e r m i n e dt h e h a z a r dp o i n ta n dt h ed a n g e r o u ss e c t i o n f i n a l l ye x p e r i m e n t a ls t u d yi su s e dt oe x a m i n a t e 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a c t t h ed e s i g n e d 舶l 矗 a l lt h es t u d i e si nt h i sp a p e l n o to m yo f f e rs o m er e f e r e n c e sa n d 垂s t sf o rt h ed e s i g n o f t h ef r a m e ，s o l v e dp r o c e s sa c t u a lp r o b l e mo f t h ef a c t o r y ，b u ta l s oo f f e ran e wi d e a a n ds o m ea c t u a l l ym e t h o d ，h a sp r o v i d e db e n e f i c i a lt r i a lt ob e i n gs i m i l a rt ot h ed e s i g n o f t h el a d l ef u r n a c eb u g g y t h ek e yw o r d s ：l a d l e 簟i m a ，f r a m e ， f i n i t ee l e m e n t - n 曩b 嘲毫 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名：墨塑日期堕：竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：墨毪反导师签名：日期： 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 1 i 课题研究背景 第一章绪论 我国作为钢铁生产大国，目前正在积极采用工业自动化、薄板坯连铸连轧等先 进钢铁生产技术，从而优化生产流程，提高钢材质量，增加经济效益。 薄板坯连铸连轧技术是国际上8 0 年代末，9 0 年代初开发成功的生产热轧薄板的 技术，爵其建设投资少、生产周期短和效率高等优点而成为当今世界钢铁工业具有 革命性的前沿技术。它集科学、技术和工程为一体，将热轧板卷的生产在一条短流 程的生产线上完成。目前世界上比较成熟且有代表性的薄板坯连铸连轧技术有：嗍 公司的i s p ( i n l i n es t r i pp r o d u c t i o n ) 工艺、奥联钢的c o n r o l l 工艺以及啪h 公司与 美国c h a p a r r d 公司共同开发的u 硼s 工艺“1 。 鞍山钢铁集团公司是一个老的国有企业，设备的陈旧与技术的落后长期制约鞍 钢的发展。面临资金的不足。立足于企业自身的改造，采取“高起点、少投入、高 回报”的方针，在原有连铸和炼钢设备的基础上，新投产了1 7 8 0 热连轧机生产线生 产精品钢来开拓市场。 “ 鞍山钢铁集团公司于1 9 9 8 年投入使用了1 7 8 0 生产线，它的投产主要与第二炼钢 厂的两台板坯连铸机相匹配，是以厚度为2 0 0 2 5 0 一的大板坯为原辩的连铸连轧短 流程生产线。该生产线为了适应国际新技术的发展趋势，结合我国的国情，仿照当 代国内外连铸和热轧带钢轧机生产领域中成熟、先进的薄板坯连铸连轧生产工艺来 组织生产，取得了较好的效果。其产品的质量、成材率、能耗、劳动生产率、环保 等各项技术经济指标达到围内领先水平。生产钢材的品种有汽车冷轧扳、军工钢、 电工钢、耐侯钢等特殊钢和各种普碳钢种。并且产品宽度和厚度规格也比较多，精 度高，在市场上具有较强的竞争力，是一条优质、高产、多品种、低消耗、高效益 的短流程生产线。 转炉生产出来的钢水经过后部精炼工序作为缓冲，精炼处理钢水的能力虽然大 于转炉的生产能力，但不同的钢种要求的工艺路线不同，各精炼工位使用生产的条 件也不相同。 随着工业技术的不断进步，炼钢生产也不断发展，当今世界炼钢工艺都实现了 1 0 0 炉外精炼和全连续化炉外精炼己成为生产优质钢和特殊钢不可缺少的工艺环 节，在钢包车上进行l f 炉外精练即是其中之一“。 遐宁科技大学硕士论文 第一章绪论 1 2 谋题涉及相关内容简介 1 2 1 鞍钢1 7 8 0 生产线简介 1 2 1 11 7 8 0 生产线的工艺流程 鞍钢1 7 8 0 生产线的工艺流程为铆： 高炉铁水预处理1 8 0 吨转炉( 3 目9 炉外精炼( c a s - o b ，l f ，硎) 一 一板坯连铸机加热炉一1 7 8 0 连轧机一精整一成品库 1 2 1 2 转妒与连铸 鞍钢第二炼钢厂现具有三座9 0 吨转炉和三座1 8 0 吨转妒。前者主要供给1 7 0 0 生产 线，后者主要供给1 7 8 0 生产线。 1 7 8 0 生产线的原料采用厚度为2 3 0 m 的连铸坯，大板坯连铸机为连续弯曲连续矫 直立弯式板坯连铸机，共两台，铸机为一机二流，基本半径为1 2 n ，浇注铸坯设计厚 度2 0 0 m ，2 3 0 m 和2 5 0 硼三种，实际生产中钢坯厚度通常为2 3 0 触，少量2 0 0 w ，2 5 0 衄为备用厚度。宽度为9 0 0 1 5 5 0 鳓，铸坯定尺为4 0 0 0 1 1 0 0 0 m 引锭杆装入方 式为上装式，两台铸机设计年生产量为4 0 0 万吨。 1 7 8 0 生产线连铸部分生产包括炉外精炼和连铸机两部分。 炉外精炼系统有c a s - o b ，具有两个工位；球炉精炼，具有一个工位；船真空藉 炼，具有一个工位。目的是对钢水进行成分微调、合金化处理，使之达到工艺要求 的上机浇注温度，并做为炼钢和连铸之间的衔接缓冲。 连铸主要是将特定钢种按工艺要求的钢水成分、温度、浇铸速度经过连铸机浇 铸成连铸坯。 ， 1 2 1 3 热轧 鞍山钢铁集团公司1 7 8 0 热轧带钢生产线是国务院“九五”期间确定的。双加” 工程之一，列入“九五”国家冶金改造项目。1 9 9 7 年5 月t o e 正式动工，2 0 0 0 年5 月6 日九十机组正式投产，设计年产量为3 5 0 万吨。工程采用九十年代最新设备和工艺技 术，采用了大侧压、p c 轧枫、在线磨辊、g t o 交交频、层流冷却、全液压跳步式卷曲 机和板型控制等先进技术，属当今世界上最先进的第四代热轧带钢机组。， 1 7 8 0 生产线的产品的厚度在1 2 1 9 1 珊之间，对于1 2 2 5 m m 厚的产品，其厚 度精度测定值的9 9 在4 0um 以内。 1 7 8 0 生产线包括板坯库、三座步进粱式加热炉、一台定宽侧压机、一台租轧高 2 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 压水除鳞箱、一架e l 立辊轧机、一架r l 二辊可逆粗轧机、一架e 2 立辊轧枫、一架r 2 四辊可逆粗轧杌、一套保温罩、一台转鼓式切头飞剪、7 视架连轧机组( f 2 f 4 为p c 置、一套层流冷却装置、三台地轧机) 、0 r g 在线磨辊下卧式卷取机、检查线、半成 品钢卷库、l # 分卷机组、2 # 分卷机组、成品库及相应辅助配套设施等。全线关键设 备、部件及电控、液压设备均从国外引进“。 、 1 2 1 4 产品 鞍钢1 7 8 0 生产线主要生产精品钢的，钢种有普通碳素钢、优质碳素结构铜、低 合金钢、焊瓶钢、集装箱、管线钢、军工钢、电工钢、i f 钢等。以优质合金钢和特 殊钢为主，普碳钢的生产主要是为了协调供钢节奏的匹配。 1 2 2 炉外精炼简介 。、 炉外精炼是把转炉、平炉或电弧炉中初炼的钢水移到另一个容器中( 主要是钢包) 进行精炼的过程，也叫- 二次精炼”。炉外精炼把传统的炼钢方法分为两步，即初 炼加精炼。初炼，是在氧化性气氛下进行炉料熔化、脱磷、脱碳和主合金化精炼， 是在真空、惰性气氛或可控气氛的条件下进行脱氧，脱硫、去除夹杂和夹杂变性、 调整成分( 微合金化) 、控制钢水温度等 a l 。 l f 炉外精炼，是带加热装置的炉外精炼方法。1 7 8 0 生产线的设计能力3 5 0 万吨 年，主要用来在炼钢的基础上进一步降低钢中的硫含量。其一次只能处理一炉钢。 生产周期随钢种的含硫量的要求不同丽不同，平均处理一炉普通钢水耗时约2 0 , n i n ， 处理超低硫钢种每罐钢耗时大约4 5 r a i n 。且对于1 7 8 0 生产线，l f 炉有喂线的功能，一 些要求喂线的钥种必须经过l f 炉( 如：管线钢) - 或, a n s b 系喂线，由于电炉的使用有限， ( 因为低硫的钢水必进l f 炉脱硫) ，喂线钢种也不能连续浇铸。 无特殊要求的情况下，以上三种冶炼工艺通常都可以单独处理普通的钢种。 1 3 国内外研究现状 随着冶炼工艺的改进与发展，现代炼钢已把炉前冶炼的大部分工作转移到二次 精炼来完成。钢水二次精炼方法种类繁多，其中，以l f 炉精炼应用最广泛。 自1 9 7 1 年日本大同制钢公司成功研制出l f 钢包以来，钢包炉在日本得到迅速发 展。早先以精炼处理特殊钢为主，是一种以电弧加热、氩气搅拌和渣精炼为核心的 钢包精炼炉生产技术。它既能提高电炉生产率，又能在炉外精炼方面显著提高钢水 质量，加上设备简单，一次性投资小等优点，已在国外广泛应用。， 在我国，随着连铸比的大幅度提高，l f 炉也迅速地发展起来。，l f 炉所处理的钢 3 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 种几乎涉及从特殊钢到普通钢的所有钢种。 ： 钢包运输台车是炉外藉炼设备中的一种必不可少的运输工具。为了实现安全快 速的生产，对钢包车的设计要求也越来越高1 5 j 1 6 。 在国外，在科学研究和工业化应用方面，有限元分析方法已达到了较高的水平， 许多大型的通用的软件相当成熟，不仅在科学研究中普遍采用，在工程上也达到了 实用阶段。 j 。 目前，有限元分析软件在国外应用的十分广泛，美国登陆火星的。勇气”与“枫 遇”号上的用于火星岩石探测的机械手臂就是使用s o l i d w o r k s 及c o s m o s 进行设计开 发的。发射火星车之前，工程师们运用c o s m o s 有限元分析软件对其机械臂进行了分 析测试。整个研发过程中利用c o s m o s 软件对设计进行分析，这样大幅减少了制造样 机的费用及所需时间。 我国对予一般车架的设计及强度校核是依靠传统的经验和方法，即依靠经典的 材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式。传统的经验分析设计方法，具有简单 易行的优点，目前在我国的车辆设计计算中仍起一定的作用。同时，该方法也有明 显的不足，由于经验设计带有相当的盲目性，每次车架的设计改进都不会有明显的 突破；而且设计周期长，使得车架的更新换代的速度比较慢，不能与现代化商品产 竞争相适应。该方法也不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分析。因此， 设计中不可避免的造成车架各部分强度分配不合理的现象。这样使得整个车架的设 计成本提高，而且某些部位强度不足，容易引起事故；某些部位强度又过于富余， 造成浪费，从而使车架达不到优化设计的目的。 。 由于经验分析设计方法以上的不足。生产厂家迫切需要一种合理降低车架自重 又能与市场竞争相适应的新的优化设计方法，来提高公司效益，提升产品档次。其 中运用有限元法结合参数化建模，。可实现车架结构的整体刚度和应力分析及优化设 计。 ： 钢包台车薪车型的车架结构设计一般是在原有车型车架结构的基础上，通过改 进某些结构件的设计和布置而完成的。新车型的车架结构能否满足冈目度及强度的基 本要求，进行有限元分析是目前广泛采用的方法。有限元分析方法的优点是分析过 程中不依赖于实物及样车试验，因此可以从设计初期就开始对设计进行分析、评价 和优化。在有限元方法应用于钢包台车车架结构设计初期，由于计算机软、硬件条 件的限制和工程技术人员分析经验的不足，计算结果及计算模型需要试验数据进行 修正。进入了八十年代，伴随着计算机软、硬件的迅速发展和结构分析工程师们分 析经验的积累和提高，车架结构计算机辅助分析的方法已不仅用于车架结构早期框 架设计的各种约束条件下的拓扑和参数优化，还用于指导车架具体结构的确定及整 4 辽宁科技大学硕士论文簟一章绪论 车性能的模拟试验。计算机辅助分析已成为一耕i 面向车架结构设计全过程的有力工 具用。 1 4 钢包台车车架结构设计的基本方法 近二十年来，随着大容量、高速度计算机的出现以及计算机辅助分析( c a e ) 技术在车架结构设计中开始广泛应用，使并行设计的方法在车架结构设计中得到充 分体现和迅速发展，下面的流程图以结构分析为对象说明了整个钢包台车车架并行 设计过程( 图1 1 ) 结粕谚折 罨固甲蠖篓 r = 岛人n 笠 谴 赣 iy j l 一 产艋连受 h 逐嗣搬啦的 投讣赣黔 蚓l1 钢包台车车架结构设计漉程 f i 9 1 1d e s i g n p r “z e s s o f l a d l e f a m a c c b u g g y s s u m t u r e 当然，钢包台车车架结构设计也不能缺少试验。有限元模型及计算结果的正确 与否需要试验来校核修正。车架结构是否达到现代钢包台车车架设计的准则最终还 要经过车试验评价后才能确定其实际效果，试验已成为钢包台车车架结构设计方法 中的一种有效的辅助手段。 1 5 钢包台车车架结构设计的新特点 现代冶金工业的发展对钢包台车产品开发水平的要求愈来愈高，它要求整个车 5 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 架具有足够的强度和刚度；同时要求缩短产品开发周期，降低费用，使开发的产品 更具有竞争力。传统的钢包台车设计走的大多是经验设计的路子，即产品设计以生 产技术中的经验数据为依据，运用一些附有经验常数的计算公式为主要方法，这样 的设计由于缺乏准确的设计数据和科学的计算方法，使产品的结构安全系数取的偏 大，所设计的零件过于笨重。随着计算机技术的发展，c a d c a e 技术在提高产品质量 和建立自主开发能力方面，对企业提供了极大的帮助。 随着计算机技术的飞速发展，c a e 技术中一种新的结构数值模拟方法有限元 分析正越来越广泛的应用于冶金车辆产品开发中“。 。 这种方法与传统的钢包台车车架结构设计方法相比较具有以下新特点： 1 ) 设计与分析并行； 2 ) 优化的思想在设计的各个阶段被引入； 3 ) 大量的虚拟试验代替实物实验。 1 6m 程分析( c a e ) 在车架结构设计中的应用 计算机辅助工程( c a e ) 是一个很广的概念，从字面上讲它包括工程和制造业信息 化的所有方面，但传统的c a e 主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分 析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工 程、产品功能和性能的可用性与可靠性。 计算机辅助工程( c a e ) 在冶金车辆产品开发中的应用范围非常广泛，从早期的车 架结构简单的静刚度、强度分析，发展到现在为了减轻车架重量在结构设计中大量 应用计算机优化方法，已经形成了一套较为完整的设计方法与试验程序。如今，并 行技术与计算机技术的结合则使c a e 技术的前景变得更广阔。 现代的车架结构设计中c a e 方法已得到广泛的应用，c a e 技术中的有限元分析方 法在机械结构强度和冈度分析方面因具有较高的计算精度而得到普遍采用，特别是 在材料应力应变的线性范围内更是如此。在结构设计中：车架是钢包台车中结构和 受力都较复杂的部件，车架有限元分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、 减轻其自身重量并节省材料。另外，就接个钢包台车而言，当车槊重量减轻后，整 车重量也随之降低，从而改善整车的动力特性和经济性等性能同。 1 7 本课题研究的内容和意义 1 7 1 本课题研究的内容 本课题以2 8 0 t 钢包台车为例，运用有限元分析技术对钢包台车车架设计中的刚 6 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 度、强度及结构优化进行了研究和探讨，内容包括以下几个方面： 1 介绍了钢包台车车架结构设计的特点及趋势，将有限元分析技术应用于钢包 台车车架结构的设计中，形成了以计算分析方法为主、试验方法为辅的设计思路。 2 简要介绍了有限元的概念、原理及分析的基本思路，详细说明了有限元方法 在车架设计中的步骤，并对分析软件中涉及到的单元作了详细的介绍。 3 以钢包台车为具体分析对象，在钢包台车设计中，对车架结构载荷和约束进 行模拟，对车架的刚度、强度进行了有限元分析，同时根据国标的有关规定，对钢 包台车车架工况进行了实车试验，对计算结果和试验结果进行了对比分析，验证了 有限元分析模型和分析方法。 4 探讨了钢包台车车架设计中的优化方法，利用有限元分析技术对钢包台车车 架进行了优化设计。优化设计的基本思路为：首先有针对性的选取车架结构件，进 行车架位能分析，根据分析结架确定需要优化的结构件；然后选定目标函数和约束 条件，对选取的结构件的参数进行优化设计。 1 7 。2 研究本课题的意义 本课题来源于实际的工程项目。这在客观上说明了本课题研究的内容具有极高 的实用价值及可行性。本课题研究的内容具有以下意义： 1 本文研究的钢包台车车架设计中的有限元分析方法，对钢包台车车架的设计 具有一定的参考和借鉴价值。 2 本文运用了计算与试验相结合的方法，对钢包台车车架的刚度、强度进行了 有限元分析，为以后钢包台车车架有限元分析积累了经验和数据，对以后相关的工 作具有一定的参考价值。 3 本文探讨了钢包台车车架设计中的优化方法和思路，对钢包台车车架结构优 化提供了一种新的途径，对进一步的研究工作具有一定的指导意义。 4 本课题的实施不仅能提高作者的设计技术和独立解决问题的能力，也能为结 构殴汁人员积累现代设计方法的经验，提高建立钢包台车模型的水平。为减少产品 开发时间、节省成本、提高设计水平作出有意义的尝试。 7 辽宁科技大学硕士论文第二章l f 炉工艺与钢包台车简介 第二章l f 炉工艺与钢包台车简介 2 1l f 炉工艺简介 l f 炉( l a d l ef u r n a c e ) 称为铜包炉如图2 1 所示，是2 0 世纪7 睥代初由日本开发 成功的，因其投资少，现已大量推广应用，成为当代最主要的炉外精炼设备“。 l f 炉能显著提高电炉钢的产量，成为电炉与连铸闻匹配的主要设备。另外，l f 炉精炼可提高钢液的纯净度并满足连铸对钢液成分及温度的要求，使得转炉配l f 炉 也得到迅速发展，几乎所有的钢厂都配有l f 炉，l f 炉己在炉外精炼设备中占了主导 地位，大大地提高了我国转炉钢和电炉钢的炉外精炼比。 l f 炉通过电弧加热、炉内还原气氛、造自渣精炼、气体搅拌等手段，强他热力 学和动力学条件，使钢水在短时间内达到脱氧、脱硫、合金化、升温等综合精炼效 果。确保达到钢水成分精确，温度均匀，夹杂物充分上浮净化钢水的目的，同时很 好地协调炼钢和连铸工序，保证多炉连浇的顺利进行。 l f 炉精炼法的发展，是使其功能能适应电炉生产率飞速提高和用户对高质量、 高可靠性的要求。其最主要的原因之一是为适应连铸的要求。在连铸工艺流程中， 需建立在一定时间可供一定温度钢液的体制，因此其操作、质量稳定起着至关重要 的作用。 1 瞧极2 台金辫斗埔原气氛4 锢东 嘴气砖栅动水口h 渣包台车 围2 1l f 钢包精炼炉 f i 9 2 1l a d l ef t w n a c e 9 辽宁科技大学硕士论文第二章l f 炉工艺与钢包台车钧舟 2 1 1l f 炉工艺的主要优点 l f 炉工艺的主要优点有： ( 1 ) 精炼功能强，脱氧、脱硫、净化钢水效果好，钢的质量显著提高；适宜生产 超低硫、超低氧钢种。 ( 2 ) 具有电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高 ( 3 ) 具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性。 “) 采用渣钢精炼工艺，精炼成本低。 ( 5 ) 设备简单。投资较少。 2 1 2l f 妒工艺的主体设备 l f 炉是以电弧加热为主要技术特征的炉外精炼方法，包括电极加热系统、合金 与渣料加料系统、底透气砖吹氩搅拌系统、喂线系统、炉盖冷却水系统( 有的没有冷 却系统) 、除尘系统、测温取样系统、钢包及钢包车控制系统等。从电极加热方式分 为交流钢包炉和直流钢包炉，目前国内基本上是用交流钢包炉。国内典型钢厂l f 炉 的主体设备包括“： ( 1 ) 变压器及二次回路： ( 2 ) 电极、电极提升柱及电极臂； ( 3 ) 炉盖及抽气罩： ( 4 ) 吹氩搅拌系统； ( 5 ) 钢包及钢包运输车； ( 6 ) 渣料、合金加入及称量系统。 2 1 3l f 炉工艺的工艺滚程 l f 炉工艺流程见图2 2 图2 2l f 工艺流程简图 。 f i 9 2 。2c - r a t t p r o c e s ss k e t c ho f l a d l e f u r n a c e 辽宁科技大学硕士论文 第二章l f 炉工艺与钢包台车菏舟 2 1 4l f 妒的精炼功能 l f 妒有如t 4 介独特的精炼功能“8 ： ( 1 ) 埋弧加热 l f 炉有3 根石墨电极，加热时电极插入渣层中进行埋弧加热，因而辐射热小，减 少对包衬的损坏，热效率高。浸入渣中的石墨电极与渣中氧化物反应： c + ( f e o ) = f e + ( o o ) c + ( m n o ) = 孙 + 上述反应不仅提高了熔渣的还原性，而且还提高合金吸收率。生成c o 使l f 炉 内气氛更具还原性。 ( 2 ) 氩气搅拌 通过钢包底吹氩气搅拌加速钢一渣之间的物质传递，利于脱氧、脱硫反应的进行， 并促进夹杂物的上浮去除，特别是对a 1 2 0 3 类型豹夹杂物上浮去除更为有利。同时加 速钢水温度和成分的均匀，达到精确地调整钢水的成分。 。 ( 3 ) 炉内还原气氛 钢包与炉盖密封起到隔绝空气的作用，加之石墨电极氧化产生c o 气体，炉内形 成了还原气氛，钢水在还原条件下进一步脱氧、脱硫及去除非金属夹杂物，并避免 增氮。 ( 4 ) 白渣精炼 l f 炉精炼的白渣是w ( f e o ) 1 的还原渣。通过高碱度的还原渣，借助氢气搅拌， 实现有效的扩散脱氧、脱硫和去除非金属夹杂物。 l f 炉的四大精炼功能互相渗透，互相促进。炉内的还原气氛，在加热条件下的 吹氩搅拌，。提高了白渣的精炼能力，创造了个理想的精炼环境，从而使钢的质量 显著提高。 2 2 钢包台车的结构特点 2 8 0 t 钢包运输台车是鞍钢第二炼钢厂的冶金专用车辆之一，该车的动力源为电 机，电机将动力通过减速器、离合器和传动轴传送至车轮。其特点一是承载量大， 总载质量为2 8 0 t ，自重超过2 0 r ；二是速度低，以3 0 m m i n 的速度行走在平直的轨道 上。 钢包台车是l f 炉的主要设备之一，它的作用是在两个工位之间运输钢包，l f 炉 钢包台车运输钢包从l # 工位到2 # 工位进行加热、喂丝、；炉底吹氩的操作。完毕之后 再把钢包从2 # 工位运回到l # 工位，用起重机吊走进行连铸操作。钢包台车在指定的 轨道区域内作往复运动。钢包台车可以看作是l f 炉的移动工作台，所以钢包台车的 辽宁科技大学硕士论文 第二章l f 炉工艺与铜包台车简介 工作状态直接影响到l f 炉的生产是否正常运行。 2 2 1l f 炉钢包台车的组成 l f 炉钢包台车( 图2 1 ) 主要由车架、驱动装置、钢包底座、润滑管路、电极调 整平台和供电托架等几部分组成。 曲 量 j 兰 f1 涨铂 i i ! ， ；叶ri l l t 一 4 到 l 。1n n 立 燃 iij ，一i| fl 工j 蕴曼 隈 融臣= 二 _ 一一 按一忖 二刭燕嗣蠢 一 ! l r 一 f h h 道| 卜i 一j ，l i lf= i i ， 一 ”t|1 3 0 0 ， 3 0 5 0 ，2 1 5 01 3 0 0 劲望生型。虬u型 ：1，1 ：，：； 一j 一： o 沙，。：驾。一。 ， ， i = j i p * t 杠叶一l ：一- - # 一二 r 。一 i - 。f 一 。一： ：i 托架2 一电极调整平台3 一驱动装置保护罩4 驱动装配 5_侧走行装配6_车架7钢包座耻润滑管路9-从动翻走行装配 2 8 0 钢包运输台车的结构组成髑衅 t h es 仉】h nc o n t i t u t eo f 吐2 8 0 t l a d ef u n 辽宁科技大学硕士论文 第二章l f 炉工艺与钢包台车筒舟 2 2 2 钢包台车的主要技术参数 钢包台车的主要技术参数如下： 1 走行方式：电动自行方式 2 承载能力：2 8 0 t ( 包括耐火材料) 3 台车自重： 7 7 t， 屯走行速度：低5 m m i m 高3 0 m m i n 5 走行距离：2 0 钿 6 供电方式：电缆滑车 7 操作方式：机旁操作室 8 驱动电机： y 2 8 0 s - 83 7 k w7 4 0 r m i n 9 制动器：交流电磁制动器 l o 减速机： i = 6 6 9 8a = 1 1 9 9 1 1 钢轨：q u l 2 0 吊车用重轨 1 2 电级平台：根据现场具体位置安装调整 1 3 联轴器型号：y h l 7 5 1 8 5 y a 玎5 1 8 5 y a l 7 5 1 8 5 y m 8 0 1 8 5 2 2 。3 钢包台车车架的结构特点 钢包台车的车架有两个左右对称的侧梁和主辅端梁组焊而成。两个侧粱是箱形 焊接结构，是主要的承载部件。前后两个端梁起到连接作用。主动端粱侧设有电机 座和减速机座，用来安装电机、减速机和制动器等制动装置。 钢包台车的车架采用全钢焊接结构，钢板的材质为0 3 4 5 。 q 3 4 5 ( 1 6 m n ) 钢，主要的力学性能如图2 4 和表2 1 所示”。 表2 1q 3 4 5 ( 1 6 m n ) 钢的部分物理性能和力学性能 t a b 2 1p h y s i c a l p r o p e r t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f q 3 4 5 ( 1 6 m n ) s t e e l 辽宁科技大学硕士论文 簟二章l f 炉工艺与钢包台车藏务 5 8 0 苫 b 3 6 1 图2 4q 3 4 5 ( 1 6 m n ) 钢的弹塑性特征 f i 9 2 4e l a s 蜘) k 商c i | y 蝴s t i co f q 3 4 5 0 6 m n ) s t e e l 焊接方法为二氧化碳气体保护焊，焊丝为h 0 8 m n 。s i a 。焊缝的强度稍商于母材的 强度。这样车架采用连续焊缝焊接完毕以后可以近似认为整个车架是一个整体。 1 4 辽宁科技大学颈士论文 第三章有限元的基奉理论与奉最是使周曲鞍件 第三章有限元的基本理论与本课题使用的软件 3 1 有限元的基本理论 3 1 1 有限元的基本概念 所谓有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 就是关于连续体( 连续结构) 的一种 离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它的基本思路是：假 想地将连续体( 连续结构) 划分为有限个单元。这些单元都由具有一定自由度的节 点相互连接面成这样，原来的连续体( 连续结构) 就变成为由有限个单元装配丽 成的离散结构；：原有连续体的无限个自由度的问题就变为离散结构的有限个自由度 的闻题。 结构有限元法一般选择简单的函数近似地表达单元内位移变化规律，乖j 用力学 推导建立单元的平衡方程式，再把所有单元的方程组集合成表示整个结构的力学特 性的代数方程组，、最后引入边界条件求解代数方程组而得到数值解。由此可见，有 限元法是从力学模型上采用分块近似，这在数学上只须求解一系列线性代数方程组， 从而避免了求解力学微分方程这一繁难的环节，宜于用计算机进行求解。 有限元法的主要优点是物理概念清晰，容易理解和掌握，适用性强，应用范围 广泛，许多复杂的工况和边界条件都可灵活地加以考虑。 3 1 2 有限元的提出与发疑 从应用数学角度来看，有限元法基本思想的提出? + 可以追溯到四十年代的库朗 ( c o u r a n t ) 。在1 9 4 3 年，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和 最小位能原理相结合，来求解s t v e n a n t 扭转问题。一些应用数学家、物理学家和工 程师由于各种原因都涉足过有限单元的概念。但只是到1 9 6 0 年以后，随着计算机的 广泛应用和发展，有限单元法的发展速度才显著加快。、 现代有限元法第一个成功的尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问 题这是t u r n e r 、c l o u g h 等人在分析飞机结构时于1 9 5 6 年得到的成果。他们第一次给 出了用三角形单元求得平面应力闯题的正确解答。三角形单元的单元特性是由弹性 理论方程来确定的，采用的是直接刚度法。他们的研究工作打开了利用计算机求解 复杂平面弹性问题的新局面。1 9 6 0 盔- c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题，并第一次 提出，“有限单元法”的名称，侵人们开始认识了有限单元法的功效。 二十多年来，有限单元法的理论和应用都得到持续不断的发展。 辽千科技大学硕士论文第三章有限元的基本理论与本景是使用的软件 从确定单元特性和建立求解方程的理论基础和途径来说，正如上面提到的， u r n e r 、c l o u g h 等人开始提出有限单元法是利用直接刚度法。它来源于结构分析的 刚度法，这对我们明确有限单元法的一些物理概念是很有帮助的，但是它只能处理 一些比较简单的实际问题。 1 9 6 3 1 9 6 4 年，b e s s e l i n g 、m e l o s h 和j o n e s 等人证明了有限单元法是基子变分 原理的里兹( r i t z ) 法的另种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都使用于有 限单元法，确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。利用变分颓理 建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是有限单元法假设的近似函数不是在全求 解域而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处 理很复杂的连续介质问题。从六十年代后期开始，迸一步利用加权余量法来确定单 元特性和建立有限元求解方程。有限单元法中所利用的主要是伽辽金( g a l e r k i n ) 法。 它可以用于已经知道问题的微分方程和边界条件、但是变分的泛函尚未找到或者根 本不存在的情况，因两进步扩大了有限单元法的应用领域o ”。 最近十几年，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空问问题、板壳 问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性 材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传 热学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设 计技术相结合。可以预计，随着计算机技术的发展，有限单元法作为一个具有巩固 理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在经济建设中发挥更大作用，其自 身亦将得到进一步的发展和完善。 3 1 3 有限元方法的基本步骤 有限单元法的分析过程，概括起来可以分为以下六个步骤： 1 、结构的离散化：结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限单元法的基 础。 所谓离散化过程简单地说就是将分析的结构划分成有限个单元体，并在单元体 的指定点设置结点，把相邻的单元体在结点处连结起来组成单元的集台体，以代替 原来的结构。单元划分必须有效地逼近实际的连续体。根据需要经常使用的典型单 元有平面应力单元、三维杆单元、三维梁单元、三维板壳单元、实体单元等，另外 还有人们为了处理实际问题而建立的单元，如边界单元、间隙元等。 2 、选择位移模式：在有限单元法中，选择结点位移作为基本未知董对称为位移 法。 在结构的离散化完成后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能用结 1 6 辽宁科技大学硕