（机械设计及理论专业论文）转炉自调螺栓连接装置力学行为研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 氧气顶吹转炉是炼钢中的主要设备，其中转炉支承系统承担了炉体及其附件的全部重 量，同时还担负着从倾动机构传递给炉体使其倾动的力矩，是转炉机械的重要组成部分。 而炉体支承系统中，将炉体与托圈的连接装置又是其中的关键环节，其工作的可靠性直接 关系到生产的安全性和经济性。 本文研究以某钢铁公司炼钢厂9 0 吨转炉自调螺栓型转炉联接装置为研究对象，分析 其结构型式及运动原理，确定现场转炉载荷的变化规律，并结合c a e 技术进行数值模拟研 究，在理论分析和计算的基础上，进一步对比分析自调螺栓破坏件的断裂情况，从而为转 炉连接装置的设计提供出一种切实可行的方法。论文主要工作及成果如下： 1 ) 对其进行运动及力学分析，明确在转炉在生产过程中螺栓可能发生的运动情况与 位移形式。结合实际生产确定各种工况下的主要载荷包括炉体和钢水的静负荷、倾动力矩、 频繁启动、制动、碰撞及冲击负荷、环境热应力载荷等及其变化规律，最终计算出三组自 调螺栓的载荷分配及大小，由分析可知当转炉处于6 0 。倾斜位置时处于出钢口对侧的自调 螺栓受力最危险，其最大力矩为1 3 9 4 0 6 2 7 删m 。 2 ) 进一步基于有限元进行接触分析，对各个典型工况进行仿真分析，并结合最新的 强度理论进行校核及应力状态评估，分析可知自调螺栓在一个炼钢全工况中应力大小在 9 7 4 m p a 9 2 6 9 9 m p a 范围内变化，并且最大应力处在螺栓本体的中部。实际生产中此位置 时间很短，基本满足强度条件及生产实际情况，但由于其应力安全系数较低，可以进行一 些优化措施增加强度储备。 3 ) 对自调螺栓进行现场应力应变测试，分析各工况下的三点自调螺栓的应力变化规 律，与有限元计算结果基本吻合，验证了计算模型的正确性。并结合现场实际分析自调螺 栓的断裂原因，并提出相应优化措施。 通过论文整个工作，对自调螺栓型转炉连接装置使用过程中的力学行为进行了全面详 尽地分析，得到了一些有益的结论，为同类转炉连接装置的设计分析提供研究平台。 关键词：自调螺栓；转炉连接装置；应力分析；接触分析；应力测试 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o x y g e nt o p - b l o wc o n v e r t e ri st h em a i ne q u i p m e n ti ns t e e lm a k i n g b e c a u s et h es u p p o r t s y s t e mo fc o n v e r t e rb e a r st o t a lw e i g h to ft h ec o n v e r t e ra n di t sa c c e s s o r i e s ，a n dm e a n w h i l e t r a n s f e r st i l t i n gt o r q u ef r o mt i l t i n gm e c h a n i s mt oc o n v e r t e r , i ti st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f c o n v e r t e rm a c h i n e r y 1 h ej o i n te q u i p m e n tw h i c hl i n k st h ec o n v e r t e rw i t ht h es u p p o r tr i n gi st h e k e yp a r ti nt h es u p p o r ts y s t e m , a n di t sw o r kr e l i a b i l i t yd e c i d e st h es e c u r i t ya n de c o n o m yo fs t e e l p r o d u c t i o n t l l i sr e s e a r c hp r o j e c tc a m ef r o mt h es e c o n ds t e e lm a k i n gf a c t o r yo fac e r t a i ni r o n & s t e e l g r o u pc o ，l t d ，a n dt h es e l f - a d j u s t i n gb o l tc o n n e c t i o no n9 0 t o nc o n v e r t e ri ss t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n 刀砖o b j e c ti st oa n a l y z et h es t r u c t u r ea n dm o v e m e n to ft h ec o n n e c t i o nm e c h a n i s m t oi d e n f i 匆t h e1 0 a da n di t sc h a n g el a w o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ， t o g e t h e rw i 廿lc a et e c h n o l o g y , t h eb r e a k i n go ft h es e l f - a d j u s t i n gb o l ti sa n a l y z e da n dap r a c t i c a l m e t h o df o rt h ed e s i g no ft h ec o n n e c t i o ni sa d v a n c e d n em a i np r o c e s sa n da c h i e v e m e n ta r ea s f o l l o w s f i r s t l y , t h ek i n e m a t i c a la n dm e c h a n i c a la n a l y s i si st a k e nt od e t e r m i n et h em o v e m e n to fb o l t u n d e rt h ec o n v e r t e r sw o r k i n gc o n d i t i o n t o g e t h e rw i t hp r a c t i c a lp r o d u c t i o nt h el o a da p p l i e dt o t h es e l f - a d j u s t i n gb o l ts u p p o r ti n c l u d i n gt h es t a t i cw e i g h tl o a do fc o n v e r t e ra n ds t e e ll i q u i d ，t h e t i l t i n gt o r q u e ，t h ed y n a m i cl o a dp r o d u c e db yf r e q u e n ts t a r t u p ，b r a k e ，i m p a c t ，a n dt h eb o i l i n go f s t e e ll i q u i di sc a l c u l a t e dt od e t e r m i n et h ed i s t r i b u t i o no fl o a df o r c i n go nt h et h r e eg r o u p so ft h e s e l f - a d j u s t i n gb o l t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs t r e s sa n a l y s i s ，t h eb o l tf a c i n gt a p p i n gh o l ei st h e m o s td a n g e r o u sw h e nc o n v e r t e rt i l t s6 0 0 t h em a x i m u mt o r q u ei s13 9 4 0 6 2 7k 砌 s e c o n d l y , af i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a l c u l a t i o ni sm a d ef o rc o n t a c ta n a l y s e sa n ds i m u l a t i o n a n a l y s i sf o rv a r i o u st y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n si sd o n e t h es t r e s ss t a t ei sa s s e s s e da n dc h e c k e d w i t ht h el a t e s ts t r e n g t ht h e o r y a c c o r d i n gt oa n a l y s i s ，t h es t r e s so ft h es e l f - a d j u s t i n gb o l to nt h e w h o l es t e e l m a k i n gi sc h a n g e df r o m9 7 4 m p at o9 2 6 9 9 m p aa n dt h em a x i m u ms t r e s sf u n c t i o n si n t h em i d d l ep a r to ft h es e l f - a d j u s t i n gb o l t o np r a c t i c a lp r o d u c t i o nav e r ys h o r tt i m ei st a k e nw h i l e a c r o s s i n gt h i sp o s i t i o n i tb a s i c a l l ym e e t st h es t r e n g t hr e q u i r e m e n t ，b u tt h es a f e t yf a c t o ro f s t r e s s i sl o w , s o m eo p t i m i z a t i o nm e a s u r e ss h o u l db em a d et oi n c r e a s et h er e s e r v es t r e n g t h t h i r d l y , b yt h es t r e s s - s t r a i nt e s t i n go fp r a c t i c a lp r o d u c t i o n t h ec h a n g el a w so f3 s e l f - a d j u s t i n gb o l t s s t r e s si se s s e n t i a l l yi d e n t i c a lw i t ht h er e s u l t st a k e nb yt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d s ot h ec o r r e c t n e s so ft h ec a l c u l a t i o nm o d e li sv e r i f i e d c o m b i n i n gw i t ha n a l y s i so ft h e b r e a k i n g ，t h ec a u s eo ft h ef r a c t u r ei ss u m m a r i z e da n dt h ec o r r e s p o n d i n go p t i m i z a t i o nm e a s u r e s a r ea d v a n c e d t h ea c a d e m i cd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ew h o l em e c h a n i c sa c t i o nd u r i n gs t e e lm a k i n gi nd e t a i l s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r ea c h i e v e d ，w h i c hc a nb eu s e da ss t u d yr e f e r e n c ei nt h ed e s i g na n d a n a l y s i so f t h i sc o n n e c t i n gd e v i c e k e yw o r d s ：s e l f - a d j u s t i n gb o l t ；c o n v e r t e rc o n n e c t i o n ；s t r e s sa n a l y s i s ；c o n t a c ta n a l y s e s ； s t r e s st e s t s 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：董型垄日期：蟹2 ：兰：! 墨 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕十学位论文第5 页 i 1 课题的工业背景 第一章绪论 近五年来，我国钢铁行业发展迅速，我国已成为世界上钢铁生产大国，2 0 0 5 年我国 的粗钢产量约3 4 亿吨，转炉炼钢占有主导地位。与之相配套的转炉炼钢设备水平仍处 不理想的状态。我国6 0 年代太钢5 0 吨转炉引进奥钢联( v a i ) 的技术和设备，8 0 年代宝 钢第一炼钢厂3 0 0 吨转炉引进新日铁的技术和设备，9 0 年代宝钢第二炼钢厂2 5 0 吨转炉 引进日本川崎制铁公司技术及设备、武钢三炼钢厂2 5 0 吨转炉引进德国德马克公司的技 术和设备。在消化吸收宝钢第一炼钢厂3 0 0 吨转炉、二炼钢厂2 5 0 吨转炉及武钢三炼钢 2 5 0 吨转炉技术的基础上，总结国内外炼钢转炉设备设计及制造的成功经验，完成了公 称容量从1 5 0 , - - - 3 0 0 吨的转炉成套设备设计。在此期间制造技术能力和装备上也有了长 足地进步。在1 5 0 3 0 0 吨转炉在设计上总体思路是采用了成熟、先进的技术，包括悬 挂式四点啮合柔性传动的倾动装置、焊接整体托圈、整体炉体、“三点支撑”的联接方 式以及完善的强迫冷却措施。 氧气顶底复合吹炼转炉是炼钢中的主要设备，其中转炉支撑系统承担了炉体及其附 件的全部重量，同时还担负着从倾动机构传递给炉体使其倾动的力矩，是转炉机械的重 要组成部分n 1 。而支撑系统中，炉体与托圈连接装置又是其中的关键环节n 卫1 。 当前国内转炉与托圈的连接方式中，“自调螺栓型转炉连接装置是其中应用最广 泛的一种。自调螺栓型连接装置能很好满足对转炉连接装置各项性能要求，且结构简单。 其工作的可靠性直接关系到生产的安全性和经济性口1 。 本文以某钢铁集团公司炼钢厂半悬挂式氧气顶底复合吹转炉支撑系统中的关键环 节自调螺栓连接装置为研究对象，进行运动及力学分析，结合实际生产确定各种工 况下的主要载荷及其变化规律，进一步基于有限元进行接触分析，并结合现场测试实际 情况对计算结果进行了分析讨论，提出结构优化措施。从而提出较符合实际的自调螺栓 型转炉连接装置的分析思路与方法，为连接装置的设计提供参考。 1 2 转炉连接装置结构型式的发展及应用 从目前国内使用较先进的转炉来看，主要分为上连接和下连接这两大类。所谓上连 接是炉体与托圈的连接点在托圈上方，即托圈将炉体托起来，它的代表形式是上海宝钢 3 0 0 吨转炉的结构型式，叫做“三点球面支撑式 。而下连接是炉体吊挂在托圈下方， 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 它的代表形式有武汉钢铁公司的2 5 0 吨转炉，是采用钢筋束在托圈下方将转炉吊起来。 首钢2 1 0 吨转炉是用弹簧钢板在托圈下方将炉体吊挂起来。 具体的转炉连接装置的主要型式有：旋盘连接装置、法兰螺栓连接装置、卡板夹持 器连接装置、四点静不定吊挂连接装置、薄带连接装置以及自调螺栓( 或称球铰支撑) 连接装置等h 5 1 。其各自结构型式和特点如下。 ( 1 ) 旋盘连接装置。也属于三支点联接结构，位于两个耳轴位置的支点是基本承 重支点，而在出钢口对侧，位于托圈下部与炉壳相联接的支点，是一个倾动支撑点，传 递倾动载荷，称为倾动支座。倾动支座与同其对称位置的导向定位块构成防止炉体沿耳 轴方向窜动的定位装置，炉体在垂直耳轴轴线方向的窜动由悬盘与支撑圈限制。 ( 2 ) 法兰螺栓连接装置。这种结构是在炉身上焊接一个大法兰，再用8 个或1 2 个 大螺栓将它固定在托圈平面上，为了适应热胀冷缩需要，大法兰螺栓孔在径向做成椭圆 形。为了保证转炉倾动时，炉体重量很好地传递到托圈上，在与耳轴联接的托圈下平面 上有二个凸块与大法兰方孔配合。 法兰螺栓连接装置基本能适应炉壳胀缩的要求，加工简单，安装方便。在国内5 0 吨以下的转炉大部分采用这种结构形式。其缺点是螺栓不能固定的太紧，否则不能适应 胀缩的需要。因此，工作中有松动现象，造成炉体倾动时的晃动，特别是大型转炉这种 炉体晃动造成的动负荷，对设备很不利。 ( 3 ) 斜面卡板夹持器连接装置。对于5 0 - - 1 5 0 吨级的转炉，以前我国采用的炉体 与托圈连接方式，一般为斜面卡板夹持器式连接。如图1 1 所示，这种连接方式的特点 是：在炉体中部托圈的上、下方有若干组卡板夹持器将托圈卡在中间，使炉体与托圈保 持相对的位置关系，这种结构在安装斜垫板时应使每两块斜挚板紧密接触。实际上，要 保证每组斜垫板都紧密接触必然造成有的斜垫板安装特别紧，这就引起了炉壳的附加载 荷，且这一附加载荷的大小与斜垫板倾角的大小成正比，这种附加载荷加大了炉壳的变 形。 这种连接装置结构的具体形式多种多样，它们之间的差别主要是在于：1 ) 夹持器 ( 支点) 可有四，六，八，十等不同数目及其在托圈上的分布位置不同。2 ) 带或不带 斜垫板以及是只在托圈下卡板上有斜垫板，还是上、下卡板上都带斜挚板。 武汉科技大学硕十学位论文第7 页 卜炉体；2 一卡板；3 一托圈：4 斜垫板图1 2 拉杆吊挂连接装置 图1 i 斜面卡板夹持器连接 支点在托圈上分布情况，可以基本区分为两种情况：一种是有两个支点安置于耳轴 轴线上；另一种是耳轴轴线上没有支点。前一种情况使耳轴轴线上的支点将承受大部分 载荷，其它指点会因拖圈受载后下凹变形，形成载荷传递不均匀。而后一种型式，则比 前一种方式能较均匀地传力给托圈。 ( 4 ) 拉杆吊挂连接装置。如图1 2 所示，这种结构使用两组拉杆，将炉体吊挂在 托圈上。炉体直立时，靠一组垂直拉杆吊挂，炉体倾转到水平位置时，靠另一组水平拉 杆吊挂在托圈上。 ( 5 ) 三点球铰吊挂转炉连接装置。属于下连接的一种，是用吊板将炉体吊挂在托 圈上，并在吊板两端装有球铰轴承，这种结构最适合中小转炉。 如图1 3 所示，它是三点静定系统吊挂形式，炉壳通过三个间隔1 2 0 。的吊板吊挂在 托圈下方，其中远离耳轴轴线的两个吊板为活动吊板，吊板的上端伸入托圈内，与托圈 连接点有球铰轴承，下端伸进炉体下端的支承座内，连接点也有球铰轴承。而在非传动 侧耳轴中心线托圈下方的固定吊板，上端是托圈的一部分( 即固定吊板上端与托圈刚性 连接) 下端同样伸进炉体下端的支承座内，并通过球铰轴承与炉体支承座相连接，此固 定吊板既起吊挂转炉的作用，也限制了炉体与托圈在圆周方向的相对位移。由于有两个 活动吊板，并且所有吊板与炉体连接点都有球铰轴承，可见炉体和托圈在受热时可自由 膨胀，不受约束，但不能相对转动。 这种结构转炉有如下特点：球铰吊挂点放在炉体下部，这里温度较低，吊挂装置热 变形小，寿命也可延长。采用吊板球铰连接能充分满足炉体和托圈各种变形的需要，能 避免由于机械和温度差引起的附加应力。采用下吊挂形式可使炉体的重心下移，从而可 使托圈位置下移，有利于炉体散热。对于中小转炉，增大炉壳上部高度，去掉了炉体上 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 部法兰，托圈上方只有高度很小的导向装置，可以使挡渣裙板角度增大( 5 0 0 ) ，可很好 地防止积渣，减小负力矩的增加；提高系统运行的安全性，由于积渣很少，大大减轻工 人的劳动强度。 卜导向装置；2 - 非传动侧耳轴；3 一球铰轴承；4 一传动侧耳轴；卜炉体；2 一托圈；3 一弹簧板 5 一固定吊板；6 一炉体；7 一活动吊板；8 一托圈；9 - 挡渣群板；1 0 一销轴图 图1 4 弹簧板下吊挂式连接 图1 3 三点球铰吊挂转炉 ( 6 ) 弹簧板下吊挂式连接( 薄带连接装置) 。以前国内用的钢筋束和弹簧板下吊 挂式工作原理基本相同，下以弹簧板下吊挂式连接为例说明，如图1 4 所示，这种连接 装置的出发点是考虑消除炉壳和托圈之间连接处热膨胀的影响，将炉壳上的主要承重点 放在托圈下面炉壳温度较低的位置，以减少炉壳连接处的热应力，并同时采用多层挠性 薄钢带作连接件来适应炉壳与托圈受热变形产生的相对位移和减缓连接件在炉壳、托圈 连接处引起的局部应力。 这种连接装置在炉体直立时，炉体是被托在多层薄钢带组成的“托笼”中；炉体的 倾动，主要靠距旋转轴( 耳轴轴线) 最远的位置的钢带组来实现；当炉体倒置时，炉体 重量由钢带压缩变形和托圈上部的辅助支撑来平衡。托圈上部在耳轴位置的辅助支撑除 在倾动和炉体倒置时，承受一定力外，主要是用于炉体对托圈的定位。 这种连接形式虽然使用效果较好，但由于每个转炉有十组连接装置，对整个转炉来 讲是一个静不定系统。因此制造安装较困难，很难做到所有连接装置受力均匀，受力最 大的损坏也最快，另外时间长了螺钉也不易打开，检修困难。 ( 7 ) 自调螺栓连接装置。如图1 5 所示，自调螺栓连接装置采用三支点方式支撑 在托圈上，其支撑装置采用球面带销螺栓将炉体和托圈联接在一起。整个连接装置由两 个部分组成：一部分是托圈上三个球面带销活节螺栓与炉壳上部联接支撑法兰组成的倾 动、承载部分；另一部分是安装在两耳轴部位的托圈上下的两组止动托座，如图1 6 所 示。三个球面带销活节螺栓与炉壳上部的联接支撑法兰承受炉体在垂直位置和倾动过程 武汉科技大学硕十学位论立第9 页 的炉体载荷。其中位于出钢口对侧的活节螺栓传递倾动力矩。而炉体倾动到水平位置时 由位于耳辅部位的两组止动托座传递力到托圈。这种装置能够自行调节由于炉体和托圈 受热而剧烈膨胀所带束的径向位移受热膨胀的时候螺栓会自动的向两侧倾斜，是一种 可靠，简单值得推广的转炉连接装置 蜃誊辇墼 怨，觜剽 淞 璃fs 九r 二f群j 口【。j 研a 1 1 l vv 、rl 砸菡7 一一一 熟 辫：鬻 图l _ 5 炉体连接装置图16 自调螺栓 此外还有一些转炉连接装置型式，如文献 6 提出的“静定自适应约束三点吊挂转 炉”转炉技术，采用炉壳下吊挂方式，吊挂机构采用三组关节轴承连杆一十字铰构成的 吊挂系统。二转炉支撑轴承系统包括转炉悬挂倾动装置一侧的固定轴承座和从动侧的摆 动式浮动轴承座，均为整体式调心滚了轴承。原理上浮动轴承用于吸收托圈的轴向变形， 调心滚子轴承用于运转过程中吸收托圈制造、安装及受载后耳轴的偏角误差等。基于传 统的三点球铰吊挂连接方式以及自调螺栓连接进行改进和创新，并在实践中推广。此类 连接装置基于完善的机构原理设训，性能高，重量轻投资低，并且制造也较简单，有 低维护、高可靠等优点，有较好的应用和推广价值。 本文研究中，在该炼钢厂9 0 吨转炉的托圈与炉体的连接装置上选用的是自调螺栓 连接装置。 l _ 3 转炉自调螺栓连接装置的研究现状 自调螺栓连接装置属于三点静定支撑装置，能很好满足对连接装置各项性能要求， 且结构简单，应用也最广泛。目前国内的一些大型钢铁企业如宝钢、武钢、鞍钢、韶钢、 攀钢等都在广泛采用”。自调螺榫是连接装置中的关键部件，也是炉体的主要承载构件， 其t 作的可靠性直接关系到生产的安全性和经济性。由于其作业工况繁重，工作条件恶 劣( 高温、多尘、冲击) ，同时还承受了复杂的静力与动力载荷，因此长时叫运转容易发 生破坏。由于白调螺栓在连接装置的内部，无法直接观察到，其运行状卷与破坏情况全 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 凭现场操作工人的经验，具有较大的主观性与不可靠性，而这种破坏一旦发生，停产更 换的周期较长，会带来很大的经济损失，同时也会带来极大的安全隐患。 球面带销自调螺栓不同于常规的联接螺栓，其设计与分析并没有成熟的方法可以依 据。一般在设计时首先采用常规螺栓设计方法进行大致设计，并根据经验对设计参数进 行修正。显然对于大型和重要的连接装置，这种方法过于粗糙。同时自调螺栓的受力情 况比较复杂，设计工作中常常采用粗略估计，这也使得设计结果出现偏差。关于自调螺 栓的破坏原因分析与寿命计算，同样在理论上面临诸多困难，需要探索一些新的理论和 计算方法。 基于以上原因，对转炉自调螺栓装置进行分析与评估，进行自调螺栓的运动分析、 各种工作状态下的载荷变化规律分析，并利用有限元技术和先进测试手段来评估应力分 布，并在此基础上进行优化改进就显得具有很强的理论意义与实际意义。 1 3 1 转炉自调螺栓装置设计、分析与计算 目前国内外对于转炉自调螺栓装置的研究开展较少，其研究主要集中在关于自调螺 栓的受力分析、断裂分析，以及承载能力计算上，也有一些从材料、显微组织以及热处 理工艺上进行研究。 文献 7 对转炉炼钢过程中三点球面支撑进行了有限元静力学分析，主要对转炉直 立位置时，自调螺栓上下球面垫组进行热一结构耦合接触分析，得到了其应力分布情况。 并进行模态分析验证设计是否克服共振、疲劳等振动危害，并提出相应的改进措施西1 。 但没有针对其他典型工况分析，也没有对螺栓本体进行分析，特别是在危险工况下断裂 位置的应力分析需要进一步研究。 文献 9 研究了转炉联接螺栓的断裂原因，针对攀钢炼钢转炉联接螺栓突然断裂， 现场检查发现，断裂发生在应力集中最大的变截面圆角过渡( r 3 2 ) 部位。光滑区断口细 致，可以看到由多个断裂源形成的裂纹扩展面，说明裂纹萌生的应力很高。其余大部分 断口为瞬断区，说明螺栓材料具有很高的缺口敏感性。从断口上的撕裂棱线走向可以看 出脆性断裂起源于光滑区，扩展至半个断口面后向一侧凹陷。宏观断口特征的变化也证 明光滑区为疲劳区。疲劳断口所占的面积非常小，说明裂纹形成后很快就失稳扩展至断 裂。其研究分析结果表明：( 1 ) 螺栓的断裂是由早期疲劳裂纹引起的，螺栓过早产生疲 劳裂纹是由于变截面圆角过渡处的尖刀痕而造成严重的应力集中所致；( 2 ) 螺栓组织不 良、晶粒粗大和冶金质量低劣导致了材料脆化，因此疲劳裂纹很浅就迅速扩展至断裂； ( 3 ) 靠改变使用条件来防止脆断是难以实现的，只有严格控制冶炼工艺，改善钢的质量， 武汉科技大学硕士学位论文 第11 页 采用合理的热处理工艺，提高螺栓的综合力学性能，提高机械加工精度，降低应力集中 效应才能避免螺栓的早期断裂。 文献 1 0 通过研究转炉托圈轴向移位的原因，从侧面说明了螺栓的受力情况与破坏 原因。梁沛泉等研究了高耸钢结构螺栓接头精确受力分析方法1 ；窦召领提出了螺栓联 接新的受力分析方法n 刳；陈再玉等对承受轴向压力和弯矩共同作用的螺栓群进行受力分 析n ；何西泠研究了偏心受拉的圆周均布螺栓群工作载荷的确定n 4 1 ；徐泽宁等人研究了 二辊轧机联轴器联接螺栓断裂事故分析n 司；曲新江研究了鞍钢1 8 0 t 转炉弹性缓冲装置 中的螺栓联接n 引。文献 1 7 1 讨论了常见的三种中小转炉炉体连接装置的结构特点，分别 进行分析比较，并针对生产实践提出了改进意见。 这些研究基本集中在螺栓的受力分析上，方法针对特定对象，为常规设计方法与经 验公式的结合，还不是很完善。 总之，目前关于自调螺栓的设计与分析方法、承载能力计算、破坏原因分析以及寿 命计算等，或沿用常规螺栓计算方法，尚存在理论上的空白，还很不成熟，需要在这方 面进行更多的研究工作。 1 3 2 有限元数值分析方法发展及在自调螺栓结构分析中的应用 在科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题己经得到应遵循的基本方程( 常 微分方程和偏微分方程) 和相应的定解条件。对此能用解析方法求出精确解的只是少数 方程，一般是其问题的性质比较简单，且几何形状相当规则。对于大多数问题，由于方 程某些特征的非线性性质或由于求解区域的几何形状比较复杂，不能得到解析的答案。 解决这类问题通常有两种途径：一是引入简化假设，将方程和几何边界简化为能够处理 的情况，从而得到问题在简化状态下的解。但这种方法只是在有限的情况下是可行的， 因为过多的简化可能导致误差很大甚至错误的解。 因此，数值解法成为另一种有效的求解途径和方法，特别是近三十多年来，随着电 子计算机的飞速发展和广泛应用，数值分析方法己成为求解科学技术问题的主要工具。 已经发展的传统数值分析方法有两类：一类是有限差分法，该法在流体力学领域内至今 仍占有支配地位，但用于求解几何形状复杂的问题时，它的精度将降低，甚至发生困难； 另一类数值分析方法是首先建立和原问题基本方程及相应定解条件相等效的积分，然后 据之建立的近似解法。上述不同方法在不同领域或不同类型的问题中已得到成功的应 用，但是也只能限于几何形状规则的问题。其基本原因是：它们都是在整个求解区域上 假设近似函数，而对于几何形状复杂的问题，不可能建立合乎要求的近似函数。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 有限元法的出现，是数值分析方法研究领域内取得的重大突破性进展，它是随着计 算机技术的不断发展而发展起来了一种功能强大的数值计算方法。有限元法的基本思想 是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。 由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型 化几何形状复杂的求解区域。 近三十年来有限元法的理论和应用都得到迅速的、持续不断的发展，并结合迅速发 展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术，己经由弹 性力学平面问题扩展到空间问题、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。分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等；从固体力学扩 展到流体力学、传热学等连续介质力学领域【1 8 圳】。在工程分析中的作用己从力学分析与 校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合等。从低效检验到高效仿真，从线 性静力求解到非线性、动力仿真分析、多物理场耦合，已经取得了巨大的发展与成就， 能更好地解决生产中的实际问题，更好地为企业服务乜纠。 总之，在目前工程实际应用中，常用的数值求解方法有：有限单元法、有限差分法、 边界单元法和加权残数法等。但是从实用性和使用范围来说，有限单元法则是随着计算 机的发展而被广泛应用的一种有效的数值计算方法。目前，国际上较知名流行的商品化 有限元软件有n a s t r a n ，a n s y s ，c o s m o s ，a d a m s ，m a r c ，p a t r a n ，s a p ， a s k a ，d y n a 3 d 等十余种【2 3 。2 6 1 。 有限元技术在自调螺栓分析与设计中的应用主要包括以下几个方面的内容乜7 删1 ： ( 1 ) 采用几何建模技术对自调螺栓建立二维或三维模型； ( 2 ) 采用虚拟样机技术进行运动和动力学分析； ( 3 ) 采用有限元法进行主要零部件的结构刚度、强度分析、非线性和热场计算； ( 4 ) 采用优化技术设计主要结构和工艺参数。 就目前的实际研究现状来看口2 。3 7 1 ，几何建模以二维图居多，较少有三维：有限元计 算以零部件居多，较少涉及整个系统；有限元模型与试验模型的相关性研究呻1 、虚拟样 机技术以及优化技术在自调螺栓的设计分析中也极少应用9 。还有范勤、罗会信等通过 计算钢水重心位置的拟合方程，以此计算出空炉和炼钢时转炉处于各角度时自调螺栓与 上下央持块的作用力。同时通过数值仿真，获得了转炉倾转不同角度口时的螺栓受力情 况。通过建立自调螺栓的三维实体模型，进一步进行有限元分析、运动学和动力学仿真 4 0 , 4 1 , 4 2 。另外文献 4 3 应用系统c a e 仿真技术对转炉系统进行仿真计算，得到了柔性螺 武汉科技大学硕十学位论文第1 3 页 栓把持器连接装置随着转炉倾角变化的应力变化规律，说明了系统c a e 技术在复杂设备 仿真方面的优势，但结果盼准确性和对现场工况的模拟程度上有待进一步加强。 针对这一现状，本论文将综合运用c a d 与c a e 技术，从几何建模到运动分析，从静 力学计算到动态特性研究，借助于c a d c a e 一体化技术，解决自调螺栓在计算、分析、 结构优化中的一系列理论问题。 1 3 3 应力应变测试技术简介及应用 应力、应变测量是机电工程测试技术中应用最广泛的一种测量，其目的是掌握被测 件的实际应力大小及分布情况，进而分析设备构件的破坏原因、寿命长短和强度储备等。 也可用于验证相应的理论公式，合理安排工艺和提供生产过程的数学模型，同时也是设 计和制造多种应变式传感器的理论基础。 实际结构的形状和受载情况一般都比较复杂，采用有限元方法分析，必然要对实际 结构加以简化，而用试验方法进行应力分析，可直接对实际构件进行测试。理想化模型 的计算结果往往与实际情况不符合，有时候甚至得出相反的结果，工程中需要采用实测 的方法得出构件的实际应力以验证有限元分析的j 下确性。 因此，为了确保自调螺栓此类关键装置使用的安全可靠性，验证其技术性能和制造 质量，往往需要在理论分析设计的基础上，再结合现场生产的实际情况，对其在多种工 况下进行验证性应力应变测试，以检验其工作性能及结构可靠性，并可以对有限元计算 模型进行检验，确保运行过程中的安全系数以及分析设计方法的正确性。 对工程结构的实验应力分析方法很多，较常用的有：电阻应变测试法、光弹应变测 试法、光弹涂层法、电磁法、x 光射线法等h 4 1 。其中电阻应变测试法由于传感元件小、 测试精度高、操作简便、适应性强等优点，更加适应工程中的实际应用。本次试验采取 的测试方法为电阻应变测试法。 1 4 本文的主要研究内容及技术路线 转炉连接装置在冶金生产中属关键设备，但其结构设计核心技术大多由国外掌握， 所以本课题全面分析该炼钢厂自调螺栓使用过程中的力学行为，分析其结构型式及运动 原理，确定现场转炉载荷的变化规律，并结合c a e 技术进行数值模拟研究，在理论分析 和计算的基础上，进一步对比分析自调螺栓破坏件的断裂情况，从而为转炉连接装置的 分析设计提供一种切实可行的思路。 在广泛研究国内外相关文献资料，比较全面的理论分析以及深入现场调研的基础 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 上，确定本课题的具体研究内容如下： ( 1 ) 自调螺栓装置结构型式与动力学分析，并结合实际典型工况确定自调螺栓的载 荷变化规律。根据自调螺栓的结构特点与工作原理，进行螺栓的运动分析，明确在转炉 在生产过程中螺栓可能发生的运动情况与位移形式。 在冶炼过程中，转炉所受载荷包括炉体和钢水的静负荷、倾动力矩、频繁启动、制 动、碰撞及冲击负荷、环境热应力载荷等，其作用情况复杂。本文根据实际情况分析每 一种载荷的大小及作用点，并确定在全工况中各载荷的变化规律以及最危险工况。 ( 2 ) 进一步基于有限元对典型工况进行数值模拟，建立自调螺栓计算模型，根据各 个典型工况下的边界和受载情况，对其进行静力学的接触分析，并正确设置相关单元关 键选项及各实常数来控制接触计算的收敛性，在后处理中结合最新的强度理论对计算结 果进行强度校核及应力状态评估，得到应力、应变等重要信息，确定自调螺栓在一个炼 钢全工况中受力大小的变化范围及最危险截面的位置。并结合实际生产，分析转炉处于 此危险位置时的状态特点，评估其强度条件及安全系数，并提出相关提高强度储备的措 施。 由于这一部分的计算结果是后续破坏原因分析、结构优化设计的基础，同时也对现 场测试提供指导，因此是论文工作的重点。 3 ) 对自调螺栓进行现场应力应变测试，考察各工况下的三点自调螺栓的受力状态， 由此得到各测点在典型工况下的应力值，与有限元计算结果进行对比分析，对螺栓整体 的工作状态能够有一个比较全面的掌握。 进而根据现场断裂件的分析，总结自调螺栓的断裂原因，对自调螺栓装置的结构、 尺寸、材质等提出优化改进方案。在满足性能要求的前提下，力求经济性与可操作性好。 4 ) 通过本课题整个研究工作，总结出一种较符合我国炼钢生产实际情况的自调螺 栓型转炉连接装置的设计方法，为同类连接装置的设计提供参考。 研究中拟采取的技术路线如图1 7 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 运动分析 u 载荷分析 儿 数值模拟现场测试破坏件分析 hnu 对比验证模型正确性，掌握应力分布及运行状态 u 分析断裂原因，结合实际提出优化措施 图1 7 技术路线图 第1 6 页武汉科技大学硕十学位论文 第二章转炉连接装置力学模型建立及运动载荷分析 2 1 自调螺栓连接装置设计要求及结构型式 转炉炉体通过连接装置支撑在托圈上，由于炉体很重并通过连接装置随托圈倾转 1 8 0 ，而且炉壳和托圈在机械与热负荷的作用下都将产生变形，因此在设计托圈连接 装置必须考虑：一方面能将炉体牢靠地固定在托圈上；另一方面又能适应由炉壳和托圈 热膨胀引起的径向和轴向相对位移，以免造成炉壳或托圈产生严重变形和破坏。 另外，伴随着炉壳和托圈的变形，在连接装置中引起传递载荷的重新分布，往往造 成局部过载，并由此引起严重变形和破坏。因此连接装置的设计一般要求具有以下性能 ( 1 ) 能保证转炉在直立和倾动位置时，都能将炉体负荷传递到托圈上而，并保持炉 体在托圈中的正确位置。 ( 2 ) 能适应炉体在轴向和径向的胀缩，而不产生窜动。 ( 3 ) 将炉体负荷均匀地分布在托圈上，对炉壳的强度与变形的影响减小到最低限度。 ( 4 ) 考虑到变形的产生，能以预先确定的方式传递载荷并避免园静不定问题的存 在，而使支承系统承受附加载荷。 ( 5 ) 结构简单可靠，并能减缓动载荷和冲击力，同时连接装置应安装、调整方便， 加工维修容易。 上述几点常难兼顾，一般应该按照顺序优先考虑自u 面的要求。 图2l 自调螺栓连接装置实体模型图22 自调螺柱结构组成 白调螺栓连接装置在托圈上采用“三点支撑”结构，其中一点位于出钢口豹对侧， 另外两点位于出钢口两侧三点之间彼此相隔1 2 0 。装置的部件组成如图2 2 所示， 武汉科技大学硕十学位论文第1 7 页 主要包括止动压板、防尘罩、球面螺母、环形弹簧、上球面挚组、下球面垫组、自调螺 栓本体、水平销轴等零部件。上下二组球面挚组分别安装于炉体法兰的上方与下方，在 产生相对运动的球面处在安装时以钼基润滑脂进行一次性润滑，在设备检修时可以进行 补充。而支撑水平销轴的二个托座则焊于托圈上。 此装置下部通过销轴与托圈上的支座联接，可在销轴上任意摆动，上部与炉体中卡 环联接，通过两个球面垫片及环形弹簧垫片用螺母锁紧，依靠球面自调螺栓可在沿炉体 径向方向做小幅度摆动。 三点支撑装置的支撑数日较少，3 0 0 吨容量的大转炉也仅是三点而已，结构也很简 单，制造与安装都不复杂。三点支撑因其负荷较大，故而对材质有较高的要求，其中自 调螺栓本体( 活节螺栓) 、水平销轴、螺母与球面垫圈需用优质材料制作。 图2 3 上、下夹持器结构简图 该炼钢厂转炉采用夹持器结构( 如图2 3 ) 来承受平行托圈平面方向的载荷并限制 炉体在托圈内转动。其中在托圈上面分别装有长耳轴上夹持器和短耳轴上夹持器，托圈 下面装有2 个耳轴下夹持器和4 个与耳轴成3 5 0 角对称分布的辅助夹持器。炉体中卡环 上的托架嵌入托圈夹持器凹槽内，并且与夹持器凹槽仅在侧面接触，以限制炉体横向位 移并承受平行托圈平面方向的载荷。 2 2 自调螺栓承受的工作载荷分析 在转炉的炼钢过程中，自调螺栓上承受了复杂的静、动载荷及各种冲击、温度等的 耦合作用。在自调螺栓设计中这些因素必须结合实际正确分析。 当转炉处于直立位置时，整个炉体的重量由3 组自调螺栓连接装置来承重，而转炉 倾倒时整个重量是由自调螺栓和上、下夹持器共同承担，但在实际的生产中，一旦央持 器的凹槽与炉体中卡环之间产生间隙，就会造成瞬时的冲击，并且此时所有的重量都由 3 组自调螺栓来承担，这是最危险的一种情况，因此在以下分析中假设夹持器不起作用， 从而来分析自调螺栓的受力情况。 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 2 1 炉体和钢水的静负荷 对于9 0 吨转炉来说，炼钢过程中炉液和炉体的最大重量总和g 约为4 0 0 t 。随着空 炉一加入废铁一加入铁水一炼钢一出钢一出渣这一过程的循环，静负荷的大小也随着炼 钢时间历程而循环变化。 2 2 2 传递的倾动力矩 当转炉处于平衡位置时或匀速转动时，倾动力矩等于转炉炉体重力所产生的力矩对 回转耳轴的力矩，包括炉液力矩和空炉炉体力矩两部分。 炉液的形状、重心位置随着倾动角度的变化而变化，并且在出钢过程