分析步變化時,閥板將按照定義的開度打開,從而使得分析模型充分接近實際工況,保證結果的準確性,又能快速的得到各個主要零部件在閥板在不同開度的應力及位移結果。圖1、圖2為料流調節閥三維模型,在此基礎上進行網格劃分得到有限元分析模型邊界條件:在實際工況下,料流調節閥的上下法蘭分別與稱量料罐與波紋管連接,因此,計算模型中將料流調節閥的上下法蘭接觸面進行全約束。
前言
料流調節閥是高爐無料鐘爐頂布料系統中的關鍵設備之一,又稱流量調節閥。其主要作用是調節料流的大小,即通過開口度的變化實現對料罐內爐料流量按高爐爐況隨意控制,使高爐在理想狀態下正常運行。由于高爐煉鐵是持續進行的,因此設備要求必須安全可靠,結構簡單并易于維修或更換。目前運用比較廣泛的是瓜型料流調節閥,其料閘形狀為瓜型,兩個閘板由兩根同心的內外軸分別帶動,同心軸結構稍顯復雜。本文介紹了一種適用于5000m3級大型高爐的結構簡單、使用可靠的新型平行軸式料流調節閥,對其開閥全過程進行了有限元仿真,找出在開閥過程中各主要部件的應力應變的變化趨勢,進而較為精確的得出該新型設備的強度及剛度,為結構的優化提供理論依據,從而保證設備工程應用的可靠性。
1 計算模型
平行軸式料流調節閥主要由箱體、閥板、閥板擺臂、傳動軸、連桿、驅動搖臂及驅動油缸組成,多體分析功能并結合多分析步的方法對該設備的整體模型進行分析,即采用運動副模擬各構件真實工況,在分析步中定義閥板開度,當分析步變化時,閥板將按照定義的開度打開,從而使得分析模型充分接近實際工況,保證結果的準確性,又能快速的得到各個主要零部件在閥板在不同開度的應力及位移結果。圖1、圖2為料流調節閥三維模型,在此基礎上進行網格劃分得到有限元分析模型,見圖3、圖4。
圖1 料流閥結構 圖2 料流閥內部結構
1—箱體;2—中心導料管;3—驅動油缸;4—驅動搖臂;
5—連桿Ⅰ;6—連桿Ⅱ;7—傳動軸;8—閥板擺臂;9—閥板
圖3 整體網格模型
圖4 內部網格模型
2 邊界及載荷研究
計算了料流調節閥開口度從0°到68°的應力應變變化情況(當閥板開到44°后,閥板已達到全開狀態,但實際操作時閥板還要繼續打開一定角度,以便將閥板上的余料全部放完)。
邊界條件:在實際工況下,料流調節閥的上下法蘭分別與稱量料罐與波紋管連接,因此,計算模型中將料流調節閥的上下法蘭接觸面進行全約束。
工況載荷:工況載荷處理是該仿真的難點,因為閥板在開閥過程中,閥板上的垂直作用力以及物料與閥板之間的摩擦阻力作用在閥板上的面積是不斷變化的,有限元分析結果作為結構設計優化的理論依據,就需要力求準確。因此采用如下手段進行仿真計算:運用靜力分析模塊計算,分別得到開閥中間各開度時的應力應變值,具體為0°到68°的開閥過程平均分為18個不同的開口角度值共計18個仿真分析步,開度值分別為0°,4°,……,64°,68°。
料流調節閥在開閥過程中受到的主要載荷包括:各零部件的重力、閥板上的垂直作用力、物料與閥板之間的摩擦阻力、箱體內表面受到的爐內壓力。其中從0°到44°變化時的受載包括各零部件的重力、閥板上的垂直作用力以及物料與閥板之間的摩擦阻力,并且在料流調節閥開口度不斷變化的過程中,其受力面積是不斷變化的;而從45°到68°變化時只受到重力的作用。
由以上分析可知,在0°到44°間的各分析步中,需將閥板上的垂直作用單位壓力、物料與閥板間的摩擦單位阻力根據開度不同施加在閥板相應的受力面積上,例如圖5為0°時閥板的載荷加載面域,而圖6為28°時閥板的載荷加載面域;45°到68°間的各分析步則不受以上兩個力的作用;0°到68°所有分析步中重力與爐內所受壓力0.375MPa則維持不變。♂
3 仿真結果分析
完成有限元前處理步驟后,將模型提交計算,即可得到各個零部件的計算結果。以閥板開度36°仿真結果為例,圖7為閥板開度36°時整體Mises應力分布云圖,圖8為閥板開度36°時料流調節閥內部Mises應力分布云圖。圖9、圖10為箱體的Mises應力及箱體變形的隨閥板開度變化曲線圖,圖11、圖12為驅動搖臂及閥板擺臂的Mises應力隨閥板開度變化曲線圖。
圖5 閥板開度為0°時加載面域
圖6 閥板開度為28°時加載面域
圖7 整體應力分布云圖
圖8 內部應力分布云圖
圖9 箱體Mises應力變化
圖10 箱體位移變化
圖11 驅動搖臂Mises應力變化
圖12 閥板擺臂Mises應力變化
由仿真結果可知:箱體、驅動搖臂以及閥板擺臂三個主要構件的受力情況較弱。箱體Mises應力隨著開度的增大先微弱減小后增大,在開度為68°時達到最大值41.71MPa,但應力值變化不大,其原因是箱體產生應力主要來源于自身所受的爐內壓力,而爐內壓力一直維持不變,而應力值的波動則是開度不同導致傳動構件對箱體的作用有所差異引起。箱體的位移(變形)隨著角度的增大略微變小,但數值變化極小,最大值為0.2673mm。因此在正常工況下箱體最大應力為41.71MPa,小于本身材質為Q235的屈服強度[3]235MPa的30%,位移(變形)為0.2673mm,滿足箱體耐壓強度要求。
驅動搖臂的Mises應力隨著開度的增大先減小后增大,而初始位置即開度為0°時應力達到最大值為52.46MPa,說明在初始位置時由于閥板上的垂直作用力、物料與閥板之間的摩擦阻力作用在閥板上的面域最大,從而使驅動搖臂受力最大,隨著開度的不斷增大,兩者作用在閥板上的面域逐漸變小,驅動搖臂受力也逐漸減小,當接近44°后達到最小,隨后隨著開度的繼續增大,閥板對轉軸產生的力矩逐漸增大,使得驅動搖臂受力也逐漸增大,應力相應增加。對于閥板擺臂,Mises應力變化趨勢和驅動搖臂基本一致,在開度為0°的初始位置應力達到最大值為54.5MPa。以上分析結果表明驅動搖臂及閥板擺臂的應力值均小于其本身材質Q235的屈服強度[2]235MPa的30%,能很好的滿足設計要求。
4 結論
通過Abaqus有限元軟件多體分析功能結合多分析步的方法建立切合實際工況的料流調節閥整體仿真分析模型,真實地模擬了開閥過程中的載荷不斷變化的工況。通過仿真準確地得到開閥過程中的應力位移變化曲線,為設計及結構優化提供了可靠的依據。該新型平行軸式料流調節閥設計合理可靠,目前已用于工程實際,使用效果良好。上述多體分析功能結合多分析步的分析方法亦可用于其他領域需要進行全運動過程仿真、具有多工況特性的設備。