干熄焦焦罐车提升环梁的优化设计与分析

 宫文龙

 （太原重工股份有限公司技术中心，山西  太原  030024）

摘要：以干熄焦焦罐车大型提升环梁为设计实例，运用优化设计理论和有限元分析方法对其进行了分析计算，探索提升环梁设计参数与结构力学特性，‘以及提升环梁工作时设计结构与应力分布规律的关系，旨在为提升环梁的优化设计提供方法和依据，使其能够满足设计要求。

关键词：焦罐车；提升环梁；结构设计；有限元分析中图分类号：TP391.7：TQ520.5

0  引言

 干熄焦是焦化厂节能减排的重要措施，也是钢铁联合企业能源综合利用的有效手段。随着国内大型捣固焦炉日益增多，与捣固焦炉配套的干熄焦项目，尤其是配合7.6 m以上捣固焦炉、处理能力为150 t/h～210 t/h的干熄焦焦罐车设计成为新的课题。

 提升环梁连接着焦罐和提升机，是焦罐车的关键传力部件。在干熄焦作业过程中，提升环梁常常受到偏载荷的反复作用，一旦出现故障就可能导致高温焦罐坠落，造成重大人员伤亡或财产损失。提升环梁作为干熄焦焦罐车的重要组成部件，其弯矩的分配和各构件的强度直接决定着焦罐车的提升性能、安全性和可靠性。随着市场对大型焦罐车的性能和品质要求的提高，展开提升环梁在焦罐车中的应用研究具有重要意义。

1  提升环梁的结构设计需解决的问题

 提升环梁的安全性需要正确的结构设计、合理的选材、适宜的制造方法来保证，但由于提升环梁的外形宽度尺寸受到土建条件及配合设备的约束，因此结构尺寸受到限制。观察失效件并分析其使用工况，提升环梁的结构设计需解决的问题是：①由于六角环梁的提升吊耳的跨距大，在载荷作用下发生疲劳破坏，会产生上翘；②提升吊耳是整个焦罐的起吊点，吊耳根部必须牢固；③旋转臂摆动受卡阻，容易引起疲劳破坏；④水平托轴为悬臂形式，抗弯承载能力要求高。根据上述要求，本文设计了新的提升环梁。

2提升环梁的结构设计

 图1为提升环梁的结构简图。本文设计的提升环梁与原来的普通提升环梁外部形状相似，但结构上变化很大，在满足土建条件和其他约束的前提下，抓住问题的关键因素，提出了相应的改进措施：

 (1)六角环梁采用变截面箱型梁结构，呈中心对称布置。考虑到提升环梁的结构自身受力和力的传递，要求六角环梁有足够的强度和刚度，从设计和制造两方面考虑，适当增加了环梁高度，以提高整体刚度和强度，减少变形；从工艺性考虑，采用先两侧后中间方式的装配工艺，这样，既保证了焊接强度，又减少了现场安装难度。

 (2)提升吊耳是用来起吊焦罐的，焦罐容纳高温焦炭。从高空、高温作业生产安全性考虑，要求耳板的板厚适中，且无缺陷，同时增大耳板根部宽度，从可焊性和焊缝的有效长度上保证提升吊耳的连接强度。

 (3)旋转臂成对铰接在六角环梁两侧。在卸焦过程中，随着两臂体之间的夹角不断变大，通过旋转臂联动作用，底闸门呈缓慢打开状态，便于焦罐卸焦。通常，底闸门打开角度大于焦炭运动安息角(350)，在提升过程中，两臂体之间的夹角最小，即焦罐底闸门呈关闭状态，考虑到工况恶劣，将旋转臂设计为H型梁结构，增加自身刚度。为防止旋转臂下部疲劳破坏，在其外侧设挡辊。在旋转臂上部铰接处优先选用承载大、耐高温优质轴承，减少各联动件的阻力。

 (4)水平托轴为悬臂形结构，用来支撑整个焦罐，为增大其抗弯承载能力，将水平托轴设计为阶梯轴，根部设加强筋。

3提升环梁的有限元分析

3.1有限元模型的建立

 首先利用三维软件UG对提升环梁进行建模，然后再将UG模型导入到Nastran中对提升环梁的模型进行前处理。根据该装置的对称结构特性，对其1／2实体模型进行力学等效简化处理，选用有限元分析程序NX Nastran 8.5中Ctetra 10节点4面体单元，建立1／2对称有限元模型，如图2所示。其单元总数为137 681，节点总数为136 407。

3.2提升环梁约束和载荷

  结合实际工况，确定焦罐提升环梁边界约束条件如下：使用接触算法，定义焦罐底门与水平托辊、提升销轴与模拟吊钩、旋转臂轴承与铰接销轴以及旋转臂与挡辊之间均相互接触；焦罐提升梁以自重方式考虑，在下部4个水平托辊处，以轴承力形式均匀施加；在提升吊耳处，按提升机载荷为正常载荷的1. 25倍施加。具体边界条件约束情况如图3所示。

3.3结果分析

  通过Nastran对提升环梁进行有限元静力分析。提升环梁工作时，影响其性能的主要指标是其的强度和变形。由于提升环梁体积大，在载荷作用下各点的应力状态复杂，所以将应力作为强度的评判标准。根据材料力学中的第四强度理论即畸变能密度理论，其最大等效应力( Von-Mises)为：

 根据提升环梁性能的影响情况，我们取位移云图和等效应力云图来进行研究，计算出的提升环梁位移分布云图和等效应力云图如图4所示。

 由图4(a)可知，提升环梁的位移变形量从底部开始依次沿着y向逐渐变大，水平托辊轴处的位移变形量较大，最大变形发生在吊耳区附近，最大位移约为49. 58 mm。由图4(b)可知，提升环梁的水平托辊伸出轴端的等效应力为125.1 M Pa，吊耳销孔的等效应力最大，其值为179.1 M Pa。

3.4优化分析

 根据计算结果，提升环梁的应力集中区域的结构还有改进的空间。经过慎重考虑，重新对提升环梁的设计结构进行优化，具体措施如下：①六角环梁改为整体焊接、变截面和变板厚组合式高强度结构；②旋转臂设计为等截面箱型梁结构，同时加大盖板厚度，减小腹板的厚度。

 对优化后的提升环梁进行有限元分析，得到了优化后提升环梁的位移分布云图和等效应力云图，如图5所示。

 由图5 (a)可知，优化后提升环梁的位移变形量从底部开始沿着y向逐渐变大，水平托辊轴处的位移变形量较大，最大变形发生在吊耳附近，最大位移约为38. 47 mm。由图5(b)可知，提升环梁的水平托辊伸出轴端的等效应力为100.2 M Pa，吊耳销孔的等效应力最大，其值为146.2 M Pa。

3.5分析结果

 从以上计算结果来看：结构优化后，在载荷作用下，焦罐提升环梁最大位移约降低了22. 4%，等效应力峰值降低了18. 3%，下部水平托辊处最大等效应力降低了19. 9%。显而易见，优化后最大位移和等效应力数值下降幅度大，提升环梁的强度显著提高。提升环梁焊接结构件所用的材料是塑性材料Q345B，其屈服极限是345 M Pa，当安全系数取1.5倍时，提升环梁所受的最大应力远小于许用应力，表明提升环梁的承载能力还是有一定的裕量，由此可见，这种结构经过优化后较为合理，能够较好地满足实际生产需求及安全生产条件。通过分析，得到的提升环梁的变形及应力分布图基本符合实际情况，为提升环梁的优化设计提供了方法和依据。

4结束语

 目前，该提升环梁已经在某焦化厂现场正式投入使用，提升环梁未见变形和倾斜，加载与卸载过程无明显冲击，整个焦罐运行平稳。经理论和实践证明，运用有限单元法和优化设计理论，不但优化了结构，减轻了重量，而且还提高了提升环梁的安全性、连续性、稳定性，达到了我们的设计要求，产品质量都优于设计指标，增强了产品的市场竞争能力，取得了良好的经济效益。