关丽坤 张鑫宇 李志星

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古014010)

钢包回转台是包钢薄板厂连铸连轧生产线上的重要设备，在使用过程中，支撑臂根部液压缸支承座立板垂直、水平焊缝出现裂纹。为找出裂纹产生的原因，用ANSYS软件对支撑臂进行有限元应力分析，并对最大应力点进行疲劳寿命计算。

1 建立有限元模型

1.1 建立模型

一台钢包回转台有4个支撑臂，承担运载钢包及钢水的作用，为箱形结构，由厚度不同的钢板焊接联结而成。主体长4 710 mm、高4 110 mm、宽630 mm。材料为低合金结构钢16Mn，热轧态，强度极限与屈服极限见表1。弹性模量为2×108kPa，泊松比为0.3，密度为7 850×10-9kg/mm3。

表1 低合金结构钢16Mn的强度极限与屈服极限

在建立模型时，一些焊接小件、小孔等不影响整体刚度和强度的细节可以忽略不计。支撑臂的有限元模型如图1所示。

图1 支撑臂的有限元模型Figure 1 Finite element model of support arm

1.2 划分网格

在划分网格之前，首先指定单元类型。在实际工程应用中，支撑臂由一系列厚度不等的板件组成，且形状复杂，宜离散为块单元solid92。采用自由划分网格的方法。在本模型中，有限元模型划分单元226 940个，节点379 897个。

2 支撑臂的静力分析

2.1 边界条件和基本载荷的确定

支撑臂是通过连杆与回转台底座铰接在一起的。支撑臂与连杆之间采用全约束来模拟，作用在上、下两个铰接孔壁处。

通过钢包在满载时的重心位置、钢包及钢水的重量确定其对支撑臂造成的压力，计算得到支撑臂中部支承面所受面载荷为18 987 kPa，悬臂端作用集中力为759 500 N，作用在悬臂端铰接孔壁下侧。支撑臂所受重力以重力加速度方式施加。

2.2 各工况下的ANSYS模拟

(1)单侧支撑臂的工况主要包括：接收满钢水钢包,承受满钢水钢包，承受满钢水钢包转臂，释放钢水，空钢包转臂，卸去空钢包。

(2)支撑臂在承受满钢水钢包工况下的模拟，如图2、图3所示，应力单位kPa。

(3)支撑臂在接收满钢水钢包工况下的模拟，如图4、图5所示，应力单位kPa。

接收满钢水钢包时冲击比较大，经查冲击系数(即冲击载荷与静载荷之比)常取1.6～1.8，现取1.7。

图2 支撑臂在承受满钢水钢包工况下的应力分布Figure 2 Support arm stress distribution under the condition of ladle with full molten steel

图3 支撑臂立板在承受满钢水钢包工况下的应力分布Figure 3 Support arm vertical plate stress distribution under the condition of ladle with full molten steel

图4 支撑臂在接收满钢水钢包工况下的应力分布Figure 4 Support arm stress distribution when accepting full molten steel in ladle

图5 支撑臂立板在接收满钢水钢包工况下的应力分布Figure 5 Support arm vertical plate stress distribution when accepting full molten steel in ladle

2.3 计算结果分析

从上述应力云图可看出，由于几何建模不够精确，支撑臂上斜板根部存在过大应力集中，可忽略不计。支撑臂根部液压缸支承座立板局部应力较大，为寻求具体应力数值大小，将立板垂直和水平焊缝的应力沿路径显示，见图6、图7、图8和图9，应力单位kPa。

图6 承受满钢水钢包工况下，最外侧垂直方向由上至下焊缝的有效应力Figure 6 The effective stress of weld in vertical direction of outmost from top to bottom on the condition of ladle with full molten steel

图7 承受满钢水钢包工况下，立板最外侧水平方向由根部至外焊缝的有效应力Figure 7 The effective stress of weld in horizontal direction of vertical plate outmost from root to outer on the condition of ladle with full molten steel

图8 接收满钢水钢包工况下，最外侧垂直方向由上至下焊缝的有效应力Figure 8 The effective stress of weld in vertical direction of outmost from top to bottom when accepting full molten steel in ladle

图9 接收满钢水钢包工况下，立板最外侧水平方向由根部至外焊缝的有效应力Figure 9 The effective stress of weld in horizontal direction of vertical plate outmost from root to outer when accepting full molten steel in ladle

支撑臂根部液压缸支承座立板厚度为32 mm，由于尺寸越大材料的强度极限越低，所以选取强度极限为573 MPa，屈服极限为315 MPa。

接收满钢水钢包工况下，立板最外侧水平方向由根部至外焊缝最大有效应力已超过材料的屈服极限。

3 支撑臂的疲劳寿命计算

3.1 应力-循环次数(S-N)曲线的获得

使用近似法做材料的S-N曲线。在双对数坐标上取下列两点：

N=103，σ=0.9Rm=0.9×573=515.7 MPa；

N=107，σ=0.45Rm=0.45×573=257.9 MPa；

连接该两点得一斜线，即为所求的S-N曲线，如图10所示。

而支撑臂的S-N曲线的绘制，要考虑影响疲劳强度的各种因素，主要包括应力集中系数、尺寸、表面状态、载荷频率、工作环境等。在有限元模型计算时已经考虑了理论应力集中系数，绘制曲线时可不再考虑。支撑臂的S-N曲线见图11。

由于支撑臂几个损伤部位的等效应力方向基本不变，因此可以认为是单向应力状态。上述按单向应力状态绘制的S-N曲线是合理的。

材料的S-N曲线是在对称循环应力下绘制的，而支撑臂上任意一点的应力状态都是非对称的，应力均值不为零。

对于结构钢的脉动循环应力的疲劳极限可以使用经验公式估算。

拉压状态下，对称循环应力的疲劳极限σ-1l=0.23×(Re+Rm)=0.23×(573+315)=204 MPa(有误差)。

拉压状态下，脉动循环应力的疲劳极限σ0l=1.42σ-1l=289 MPa。

由图11可查出在最大应力下到达疲劳失效的应力循环次数N，例如，立板垂直焊缝外侧为2.15×106，立板水平焊缝外侧为1.95×104。当应力小于257.9 MPa时，应力循环次数大于107，视作对零件无损伤。

图10 16Mn的S-N曲线Figure 10 S-N curve of 16Mn

图11 支撑臂的S-N曲线Figure 11 S-N curve of support arm

3.2 疲劳寿命的估算

零件的疲劳寿命估计值为：

焊缝本是应力集中部位，支撑臂在结构上又致使此处所受应力过大，超过屈服极限，所以导致了焊缝过早开裂。

4 结束语

恶劣的工作环境和超负荷运行在一定程度上恶化了支撑臂的应力状况，但其结构的不合理是失效的主要原因。可以考虑将支撑臂的焊缝避开应力集中部位，或者改变支撑臂受载情况，通过改进结构来延长设备使用寿命。

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