基于有限元的铸造起重机温度场分析

陈爱民 陶星辰 李加将

摘要：铸造起重机是冶金行业专用工程机械，有着满载运行时间长，工况复杂长期受高温辐射的影响，一旦产生热应力疲劳，容易造成事故隐患。本文采用Ansys有限元软件对铸造起重机的温度场进行分析，为铸造起重机受热应力疲劳的研究提供一定的技术参考。

关键词：铸造起重机 热应力 温度场

0前言

随着我国冶金工业的快速发展，铸造起重机向着重载、高速和大型方向发展，这类设备在特殊工况下所受的应力越来越高，工作条件越来越恶劣，疲劳破坏事故层出不穷。据不完全统计近年来冶金铸造起重机的事故率站起重机事故率的30%以上[1]，同时因为该类设备存在高风险的作业环境，一旦发生事故往往会导致较大的伤亡及经济损失。这类铸造起重机一般都承受着极端载荷，以及高温等特殊工况，不可避免会导致机构及结构件的各类损伤，冶金企业为保证较高的安全生产要求，会导致过度维修产生过高的成本，如何平衡安全和合理的维修成本是冶金企业迫切需要解决的课题。因此对铸造起重机主要受力构件的可靠性评价和寿命预测已成为冶金行业重要的研究课题。本文通过对铸造起重机工作特性，及其温度场分析，研究造成铸造起重机主梁受热应力影响的过程，希望为铸造桥式起重机结构安全评价提供一定的参考。

1 铸造起重机特性

铸造起重机是桥式起重机的一个类别，主要用于钢厂的炼钢工艺，是不可或缺的关键设备，用于转炉加料，跨向转炉兑铁水、钢水，精炼时将钢水包吊运至精炼炉上，将钢水包吊运到连铸回转台等工艺中。由此可见其工作环境一般都在高温、高粉尘及有有害气体的复杂恶劣环境中。一般分为双梁单小车式见图1，四梁四轨双小车式，或者特大型铸造起重机（200t以上）有采用四梁六轨双小车式，主要结构有主小车、副小车、主梁、大车行走机构、吊钩组、电气控制五部分组成，通过单小车作业或者两小车协同作业完成[2]。

铸造起重机的工作特性可概括成以下几点：

1）铸造起重机相比于普通桥式起重机满载率高，一般起升载荷都在百吨以上的液态，不间断运行时间很长，载荷状态为Q3或Q4，工作级别在A7以上。

2）铸造起重机的工况恶劣，吊运的钢水包温度能高达1760℃，主梁在工作中时刻要遭受高温的辐射，其主梁的力学性能与常温下存在较大的差异。

3）铸造起重机的结构和机构比较复杂，能同时完成一个起升运动、一个或几个水平运动，在常规工况中，存在几个不同方向的动作同时操作，技术难度偏大。

4）铸造起重机在冶金工艺应用中，其运行作业范围大，一旦造成吊装事故其造成的后果严重，涉及面广，如2007年的辽宁铁岭包脱落事件，共计造成32人死亡，6人重伤[3]。

5）该类设备暴露在外的活动的零部件较多，工作环境恶劣，会造成零部件的积灰，电气设备的短路，接触器的黏连等故障，存在多发的潜在安全隐患。

6）主要受力构件在高温及冲击载荷下，极易产生疲劳，造成主梁的应力损伤。

2 热分析理论

热能的传递过程有三种基本形式：热传导、热对流及热福射。

1）热传导

热传导是物质微观粒子的无序热运动导致，当结构内部存在一定的温度梯度时，热量将会从高温部位传到至结构的低温部位，它在固体、液体、气体中都可以产生，但只有固体中才会产生热传导，当不同温度的物体相互接触碰撞时也会产生热传导。是能量从物体的高温部分传至低温部分，或者从高温物体传递到低温物体的一种表现。

2）热对流

热对流是流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，由于热对流和热传导可以同时发生，所以在流动介质中的热量传递是热传导和热对流的综合作用过程。工程上流体与有温差的结构接触时会发生热交换，这个种热交换通常称为对流换热。

3）熱辐射

热辐射是通过电磁波（或光子流）的方式传播能量的过程。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大。热辐射不需要物质间进行直接的接触，也不需要介质的换热。

在铸造起重机作业环境中，吊运钢水包的温度最高通常能达到1760℃，因此钢水包对铸造起重机的热应力影响最大。根据实际工况分析可知，在铸造起重机作业过程中主要的传热途径有：主梁隔热板、副梁的迎热面受到钢水包的热辐射;主梁其他结构受到底板的热传导;主梁等结构与环境温度的热对流，见图2.

3 铸造起重机温度场模拟

铸造起重机温度场是指某一时间内铸造起重机各部位的温度分布的状态。温度场作为标量场，它一般可采用空间坐标与时间的函数来进行描述，在直角坐标系中可表示为：

T=f（x，y，z，t） ............1

式中，x，y，z为空间直角坐标，t为时间。

随着现代设计理念的融入，计算机性能的迅猛发展，各种有限元分析软件在起重机的结构研巧中得到了广泛地应用，本文采用ANSYSWorkbench对铸造起重机进行温度场分析。铸造起重机的操作相比普通桥式起重机要复杂得多，建立钢水包温度场模型时需要根据实际情况作出些假设及简化，根据铸造起重机的最长使用工况做了如下假设：钢水包在上升过程中的晃动忽略不计;环境对主梁及钢水包的热对流忽略不计;钢丝绳等部件对主梁及钢水包的热传导及热辐射忽略不计。由仿真结果可知，在中间位置起升钢水包时，主梁受到高温铁水的热福射，其主梁内部热传递以热传导的方式进行，形成主梁的温度场，主梁温度存在分布的差异，主梁下盖板与钢水包最近，则温度最高，被钢水辐射的热能越大。钢水包在上升过程中其温度场变化为非线性的，钢水包从20米上升至10米过程中，主梁下盖板温度最高处从63.5℃上升至138℃，起重机起升速度越快则主梁温度变化越大，该温度场为瞬态温度场。在钢水包水平运输时，钢水包与主梁的距离不变主梁的温度也可看做稳态温度场。在钢水包卸载时，此时钢水包与主梁的距离增大，对主梁辐射减少，而主梁本身的温度不会快速消散，因此该段时间主梁的温度场也可看做时稳态温度场。在这几个阶段主梁中间最热部位与其他部位的温差也越大，主梁结构的力学性能也将受温度场的变化而影响。

4 小结

铸造起重机的主体结构材料都是钢材以Q345为主，该材料的物理性能和力学性能对温度变化较为敏感，在高温及常湿的工作环境中其性能存在较大的差异。本文采用有限元分析软件对常用的双梁单小车结构的铸造起重机的主梁温度场进行模拟，分析其在起升、水平运行、下降卸载时的温度场变化，为研究铸造起重机主梁受热应力影响而产生的疲劳损伤的过程提供参考依据。

参考文献：

[1]杨柏山.冶金起重机使用现状和检验应特别重视的几个问题[J]. 科技传播，2013，5（20）：115-122.

[2]徐慧策.冶金起重机使用现状和检验问题分析[J].中国设备工程， 2017（03）：75-76.

[3]渠晓刚.铸造起重机结构钢Q345B中温环境疲劳损伤研究[D]. 兰州： 兰州理工大学， 2016.

作者信息：陈爱民，出身年月：1985年09月05日，性别：男，职称：工程师，方向：质量工程