楊澤然

(中鋼集團(tuán)邢臺機(jī)械軋輥有限公司，河北邢臺054000)

摘要: 腹板為焦?fàn)t重要密封部件，其密封效果和使用壽命對整個焦?fàn)t的影響至關(guān)重要。預(yù)測腹板疲勞壽命，需要判斷腹板應(yīng)力集中區(qū)域，使用ANSYS 有限元分析軟件對使用工況下的1． 5 mm 和2． 5 mm 兩種厚度的焦?fàn)t腹板進(jìn)行了力學(xué)分析，得到腹板工況應(yīng)力圖。分析結(jié)果表明，最大應(yīng)力出現(xiàn)于腹板圓角處及固定位置邊緣處，該區(qū)域易發(fā)生疲勞受損; 且腹板越厚，所受應(yīng)力越大。分析結(jié)果為腹板設(shè)計、材質(zhì)選擇、生產(chǎn)和使用提供了技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞: 焦?fàn)t；爐門腹板；有限元；受力分析

0 引言

近年來，由于國家對焦化行業(yè)的環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，焦?fàn)t的密封性能越來越受到業(yè)內(nèi)關(guān)注。爐門作為焦?fàn)t的重要組成部分，起著密封煙氣和焦油的作用，是整座焦?fàn)t的關(guān)鍵設(shè)備之一。腹板作為爐門的密封部件，對整個爐門的密封起著至關(guān)重要的作用。若設(shè)計不合理，則容易發(fā)生爐內(nèi)煙氣和焦油泄漏現(xiàn)象，造成大量對人體有害的化學(xué)物質(zhì)和粉塵外排到大氣中，不僅危害現(xiàn)場人員健康，還嚴(yán)重污染環(huán)境。

有 限元分析法計算精度高，被廣泛應(yīng)用于工程分析領(lǐng)域。為了預(yù)測腹板受力情況和使用壽命，通過ANSYS 有限元分析軟件，分別對1． 5 mm 和2． 5mm 厚腹板進(jìn)行力學(xué)模擬分析，綜合多種工況分析結(jié)果可判斷兩種腹板最大應(yīng)力值理論分布區(qū)域及應(yīng)力對比，同時指出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，為腹板設(shè)計、生產(chǎn)和使用提供技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)，對如何延長腹板密封效果和使用壽命具有重要指導(dǎo)意義。

1 腹板受力變形分析

1． 1 腹板功能及結(jié)構(gòu)

( 1) 在整個焦?fàn)t密封件中，腹板位于滑板與爐門本體之間，起到密封煙氣和防止焦油泄露的作用，是整個焦?fàn)t護(hù)爐設(shè)備中的關(guān)鍵部件之一。

( 2) 腹板的結(jié)構(gòu)為大型薄壁件，厚度為1． 5 ～2． 5 mm，寬度為550 ～ 690 mm，長度為5 ～ 8 m。

1． 2 腹板變形受力情況

腹板正常工作時不受力，只有摘、裝爐門時發(fā)生位移。其損壞的主要原因就是摘、裝爐門時發(fā)生的變形，根據(jù)裝配關(guān)系和使用情況，確定中心區(qū)域為固定區(qū)域，位移為零; 周邊為發(fā)生位移區(qū)域，位移為5mm，方向為垂直于腹板表面。因此專門針對該情況建立力學(xué)模型，如圖1 所示^［1］。

2 建立幾何模型

( 1) 由于腹板面積較大，而厚度較小，屬于大型薄壁結(jié)構(gòu)，因此建立幾何模型時直接設(shè)定為面結(jié)構(gòu)，相對于通用的體結(jié)構(gòu)，可加快后期計算速度，提高計算精度^［2］。

( 2) 由于腹板為以長度方向為軸線的對稱結(jié)構(gòu)，因此只選擇一半建模，可以有效減少計算量。建立的幾何結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3 力學(xué)模擬分析和計算

3． 1 材料參數(shù)

腹板為不銹鋼材質(zhì)，參數(shù)選擇如表1 所示。

3． 2 腹板網(wǎng)格劃分

腹板模型為面體，為保證計算精度，采用六面體單元，對邊界位置適當(dāng)細(xì)化，網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

3． 3 計算結(jié)果

( 1) 1． 5 mm 厚腹板發(fā)生5 mm 位移變形后的應(yīng)力分布如圖4 所示。

由圖4 可知，1． 5 mm 厚腹板發(fā)生5 mm 變形時最大應(yīng)力值為416 MPa，發(fā)生在腹板圓角及固定位置邊緣處。

圖4 中的箭頭所指區(qū)域應(yīng)力為270 MPa 以上，判斷腹板圓角處及固定位置邊緣所受應(yīng)力最大，最容易出現(xiàn)損壞。而腹板材料的屈服強度為205MPa，抗拉強度為520 MPa。說明腹板在實際使用中摘裝爐門時會出現(xiàn)超過材料屈服強度的情況，長期使用會在箭頭所指區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)裂紋等損壞。

( 2) 2． 5 mm 厚腹板發(fā)生5 mm 位移變形后的應(yīng)力分布如圖5 所示。

由圖5 可知，2． 5 mm 厚腹板在中心區(qū)域發(fā)生5mm 變形時最大應(yīng)力值為507． 9 MPa，發(fā)生在腹板圓角及固定位置邊緣處; 從圖5 也可以看到腹板的整體變形情況，整個腹板上的應(yīng)力分布與1． 5 mm腹板上的應(yīng)力分布基本一致。圖5 中箭頭所指區(qū)域的應(yīng)力為320 MPa 以上。

4 結(jié)果分析

(1) 上述分析結(jié)果表明，腹板圓角處及固定位置邊緣處所受應(yīng)力最大，并出現(xiàn)瞬間超過材料屈服強度的情況，最容易出現(xiàn)損壞。設(shè)計生產(chǎn)時應(yīng)考慮加大圓角以減小變形應(yīng)力值。

(2) 通過對比兩種不同厚度腹板的應(yīng)力數(shù)值可知，在相同的工況情況下，1． 5 mm 厚腹板最大應(yīng)力小于2 ． 5mm厚腹板; 同樣，其他相同位置1 ． 5mm厚腹板應(yīng)力值也都偏小。可得出結(jié)論: 1． 5 mm 厚腹板的力學(xué)性能優(yōu)于2． 5 mm 厚腹板，使用1． 5 mm厚腹板會有更長的使用壽命，更好的密封效果。設(shè)計制作同類產(chǎn)品時應(yīng)考慮采用1． 5 mm 厚腹板作為首選。

(3) 根據(jù)ANSYS 有限元分析結(jié)果，設(shè)計腹板時應(yīng)考慮采用塑性及韌性較好的材料。

5 結(jié)語

基于ANSYS 分析軟件對不銹鋼腹板有限元分析結(jié)果，得到了腹板理論應(yīng)力集中區(qū)域，為檢測腹板真實受力情況、預(yù)估其使用壽命提供了重要的理論依據(jù)。為腹板設(shè)計、材質(zhì)選擇、生產(chǎn)和使用提供技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)。對于實際生產(chǎn)中如何提高腹板使用壽命，避免材料浪費，保證密封效果，防止環(huán)境污染具有重要指導(dǎo)意義。

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