【原】【技术】步进式加热炉炉底机械的设计与分析

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摘要：本设计题目为一种步进式加热炉炉底机械,应用在某特殊钢铁有限公司城市钢厂环保搬迁工程中.加热炉为双面加热步进式炉,有快速加热迅速腾空,热效率高等特点,炉子的核心部分:步进机构,采用了常见的斜面导轨式传动机构,升降框架和平移框架动作均使用液压传动来完成。

它的工艺要求是将被加热的坯料从加热炉的装料端一步一步连续不断的移送到出料端,并且使坯料在加热炉内达到所规定的温度,这就需要步进梁相对于固定梁作上升、前进、下降、后退四个动作，由这四个动作组成步进梁的一个周期，每完成这样一个周期坯料就从装料端向出料端前进一个行程。步进梁驱动靠液压缸完成，动作速度及行程靠外置传感器精确控制，液压缸的选择取决于步进梁的最大负荷。

主要参数：步进梁上最大钢坯负荷~346t/炉，步进梁最小步进周期为50s，可根据轧制周期调整，步进梁最大水平行程为400mm，行程范围0~400mm，并连续可调，采用前极限低位定位，步进梁的升降行程为200mm，以固定梁滑轨表面为基准，上升120mm，下降80mm。

本文包含了绪论、设计计算、结论三部分。绪论部分简述了步进炉底机械的各个主要部分的特性、技术要求和步进炉底机械和注意问题及改进措施。设计计算部分主要对设计参数及强度的校核。结论部分主要是对整个设计过程进行的总结。

关键词：步进式加热炉；炉底机械；步进梁；液压缸；设计计算。

第一章  绪论

1.1  概要

步进梁式加热炉主要用来加热特殊钢。因为加热特殊钢时，品种规格多而批量小，对氧化、脱碳、划伤等表面质量要求高，因此，采用能快速加热，必要时能将炉内坯料迅速出空的步进式炉是极为有利的。此外，由于热效率高，中小型轧钢车间的普通钢加热炉也可采用此种炉型。步进梁式加热炉主要用于小时产量高的钢坯和板坯的加热。而本方论述的重点是步进梁式加热炉的核心部分：炉底机械。

炉底机械是步进梁的主要组成部分，步进梁主要承担坯料在炉内的运送任务，而步进梁的动作要靠炉底机械的承载及驱动来完成，步进梁将被加热的坯料从加热炉的装料端,一步一步连续不断的移送到出料端,并且使坯料在加热炉内达到所规定的温度,这就需要步进梁相对于固定梁作上升、前进、下降、后退四个动作，由这四个动作组成步进梁的一个周期，每完成这样一个周期坯料就从装料端向出料端前进一个行程。步进梁就是按照这样的运动规律在加热炉内运送钢材坯料的，而步进梁完成这一动作的动力来源就是炉底机械。

1.1.1  炉底机械设计的技术要求

步进梁式加热炉底机械不同于一般的设备，生产工艺中炉底机械的主要要求是，运行迅速平稳，停位准确，便于维护等，所以对炉底机械的技术要求如下：

1）步进梁式加热炉底机械在动作精度控制方面，要求控制全炉前后的跑偏量：钢坯横向跑偏量≤1mm/m炉长，钢坯纵向跑偏量≤1mm/m炉长。以炉长40米为例，要求横向跑偏量≤40mm,纵向跑偏量≤40mm。

2）在稳定性方面要求步进梁在抬起和放下钢坯时，减少冲击和震动，意思即：轻拿轻放，运行要平稳。此时要求炉底机械驱动升降和水平移动的液压缸要有位移传感器配合液压系统来进行实时的速度控制,步进梁运行速度图见图1-1. 在步进梁接近固定梁面时，放慢步进梁的上升速度，以使步进梁轻接触固定梁上的钢坯，同样下降时也是如此。

图1-1步进梁运行速度图

3） 在承载能力方面要求在满足最大负荷的前提下，尽量减轻设备重量，但必须保证设备安全可靠，耐用性高。即要求在保证框架各横纵梁与炉底支承立柱不干涉的基础上，合理布置上下层框架梁及支承辊位置。

4） 结合工艺要求合理布置升降及水平移动液压缸位置，使其能够最大限度发挥功能，且便于系统保护和系统维护及满足其它工艺和生产要求。如升降液压缸为两个平行布置，则需要最大精度的考虑液压缸的同步性，保证升降框架梁受力均匀，避免产生液压缸不同步造成的框架变形损坏等情况，需要联锁及警报功能。 

5） 为了保证框架整体安装及运输方便，要将框架整体设计成可方便拆装分部连接式，连接横梁处要避开炉底支撑立柱，尽量考虑检修空间和减小安装误差等。

1.1.1  步进梁炉底机械的形式

 按照步进梁的运动轨迹，有圆形、椭圆形、矩形等。为了使步

进梁缓慢托起或放置坯料，使坯料与炉底不发生摩擦，或者使炉底摩擦减小到最小，中小型轧钢车间的步进式炉通常采用矩形运动轨迹，如图1-1所示。

为实现步进梁的矩形运动轨迹，步进梁的传动机构通常由升降装置和水平移送装置两部分组成。其结构形式主要有三种，如图1-3所示：

以上三种形式尤其以斜面导轨式应用最为广泛。本文论述的设计方案采用此种形式。在以前的设计中，步进梁的传动装置大都采用机械传动，随着我国机械工业的迅速发展，液压技术在轧钢机械上的应用范围不断扩大，液压传动的可靠性的不断完善及经济性，近年来建成的步进式炉底机械传动装置大都采用液压传动。本文论述的设计方案也采用此方式。

1.2 步进梁炉底机械的结构及特性

典型的步进梁炉底机械通常由水平框架、升降框架、导向装置、 水平及升降液压缸装配、滚轮组件等组成。

1） 水平框架

水平框架是用来支撑步进梁的主要部件，炉内钢坯总负荷要通过活动梁立柱直接传递到水平框架上，水平框架要承受包括钢坯和步进梁自重及水封槽在内的所有重量，载荷条件及环境条件十分恶劣，所以在设计时要着重考虑水平框架的强度及刚度，保证在受力时的弯曲应力足够，为了加强刚性，纵梁采用分段式连接并各自封闭框架结构。

2）升降框架

升降框架的主要作用是支撑水平框架及其上所有负荷，并且在驱动液压缸作用下延斜轨将水平框架及步进梁抬升一定高度来完成步进梁的步进动作，下层框架的主要受力点在滚轮处，框架受力环境相对上层框架稍好，为保证框架的刚度要求，在满足大梁布局的同时增加交叉梁以提高框架刚度，两组升降液压缸必须能严格保证同步运行，减小由于缸不同步对框架造成的扭曲变形。

3）导向装置 

导向装置见图2-1/2中，分为水平导向及升降导向两种，作用是分别控制水平框架和升降框架在移动中的对中，保证框架平稳运行，主要由导向横梁、导向滚轮及导向板组成。

4）水平及升降液压缸装置 

水平液压缸见图2-1中所示，作用是拉动水平框架前后移动， 选型计算时除参考负荷推力外，还要考虑液压缸在动作时的刚度即稳定性要求，两个条件必须同时满足。升降液压缸见图2-2中所，为两组并行，要求两组升降液压缸必须能严格保证同步运行。液压系统除考虑上述要求之外，还要求保证液压缸在动作时能够减小冲击，使步进梁动作平稳有序，图2-3为步进梁的液压控制系统图。

图2-3 液压控制系统图

5）滚轮组件

滚轮组件见图2-2中所示，是炉底机械中的重要部件，上层滚轮承载水平框架及步进梁上所有负荷，下层滚轮除承受上述负荷之外，还要承受升降框架自身的重量，负荷条件较差，故在设计时要充分考虑滚轮的承重能力即滚轮踏面疲劳强度。在下面的文章中要详细计算。

1.3  步进梁炉底机械的问题与改进措施

参考之前的一些同类型设计项目，在现场及用户使用过程中发现一些问题：

1）水平框架在长期高温等恶劣条件下使用，易造成框架变形。原设计的水平框架纵梁为C形，未形成封闭框架刚度较差，在本次设计中修改原结构，使框架封闭且在长度方向均匀增加横梁，进一步提高水平框架的刚度，见图2-1中所示。升降框架在长时间使用后也易产生扭曲变形，产生变形的主要原因是两组升降液压缸的不同步，故在提高框架刚度的基础上，首先必须严格保证液压缸的同步性，采用如图2-3所示的精确位置测量反馈和闭环控制，在电控中增加液压缸故障报警反馈等措施，可有效解决液压缸不同步影响框架变形的问题。其次在升降框架本体刚度方面，增加交叉梁也是一种增强框架刚度的有效方法，见图2-2中所示。交叉梁在设计中参考了外方设计，连接处由原先的连接板形式改为法兰连接形式，这种方法便于制造及有利于安装。

2）此前基于经验设计的炉底机械在设备重量上远高于相同工况及负荷条件下的国外同类型设备，在保证用户安全可靠使用的前提下依靠计算机三维软件的有限元分析功能，计算主要构件强度及刚度，在计算的基础上使结构进一步优化，合理减轻设备重量，在设备投标供货中更具优势。本例中水平框架经过分析在保证框架强度及刚度要求后，将原设计的纵梁及横梁高度分别进行降低，H型刚腹板及翼缘板厚度合理减小，有效降低了设备重量。

第二章  主要部件的设计计算

主要参数表：

项目	值	项目	值
G1最大钢坯负荷	~346t	平移滚轮数量	14个
G2热滑块、包扎材料及活动梁自重	~72.5t	升降滚轮数量	14个
G3水封槽及加水重量	~50t	升降行程	200mm
G4水平框架自重（暂估）	45t	水平行程	400mm
G5升降框架自重（暂估）	40t	斜轨角度	13
G6滚轮装配重量（每组）	0.75t	滚轮最大转速	＜5r/min

2.1滚轮装配计算

2.1.1滚轮计算

• 满载最大承重Gmax=G1+G2+G3+G4+G5+G6*14=564t

• 空载最大承重G 'max= G2+G3+G4+G5+G6*14=218t

• 滚轮承重比：60% 实际承重滚轮个数：n=14*60%＝8.4

• 单个滚轮承受最大轮压Pmax=Gmax*1000*10/n=626.7kN

• 单个滚轮承受最小轮压Pmin=G 'max*1000*10/n=242.2kN

• 滚轮踏面疲劳计算载荷Pc=2Pmax+Pmin/3=498.5kN

• 滚轮与轨道有效接触长度L=180mm(按经验初定)

• 滚轮材料42CrMo+表面淬火抗拉强度σb=1080MPa

• 线接触应力常数k1=7.2 (查械设计手册表8-1-97得)

• 运行机构工作级别系数C2=0.8 (查机械设计手册表8-1-99得)

• 滚轮最大转速V=2r/min<5r/min (以定滚轮直径650计算得)

• 转速系数C1=1.17(查机械设计手册表8-1-98得)

• 计算滚轮直径D:

滚轮计算结论:按照滚轮接触应力计算得滚轮最小直径401mm,结合现场工况及同类型设计经验应增加的安全系数后，确定滚轮踏面宽度为190mm,滚轮材料42CrMo,滚轮直径为650mm。滚轮表面调质淬火硬度HRC54－60，深度3~5mm。

2.1.2  滚轮轴径计算

滚轮轴两端由轴承座支撑，可按简直梁的弯扭合成强度计算：

Ø  支点间距L＝500mm

Ø  升降滚轮轴承座数量N=28个

Ø  轴最大集中载荷P=Pmax*n/N=188kN

Ø  轴最大弯矩Mmax＝P*L/4=23500N·m

Ø  45#刚许用弯曲应力σ_p＝σ_-1p=180Mpa

Ø  开单键槽轴径增大值：3%

结论：计算得出滚轮轴径d>114mm。

2.1.3滚轮轴承计算

依据本设计的结构特性和以往设计经验选择承载能力强且具备在一定范围内调心功能的调心滚子轴承，按照额定动载荷计算轴承。按照已经计算的滚轮直径和轴径，暂定轴承型号23134C/W33,在本例工况下验证轴承寿命。

2.2平移及升降液压缸计算

2.2.1平移液压缸计算

• 滚轮与轨道的附加阻力系数，β＝2.5

• 滚动摩擦系数，f=0.1

• 滚轮轴承的摩擦系数，μ＝0.005

• 滚轮辊轴直径，d=17(cm)（初定）

• 步进梁水平移动单位重量的运行阻力，q

• 平移框架总负荷Q1=468.5t(由主要参数表中得出)

• 平移油缸牵引力（推力）T＝Q1*q=18920kg

• 油缸工作压力P＝15MPa

结论：参照油缸样本安全系数2，油缸缸径180mm杆径125mm。

2.2.2升降液压缸计算

• 升降框架总负荷Q2=574.5t(由主要参数表中得出)

• 上升时提升力Ts= Q2qtg=132.6t

• 上滚轮阻力Tz1=Q1q=18920kg

• 下滚轮阻力Tz2= Q2qcos=22606kg

• 运行阻力Tz= Tz1+Tz2=41526kg

• 油缸总推力T＝Tz+Ts*1000=174160kg=174t

• 单个油缸推力Td=T/2=87t

• 油缸工作压力P＝15MPa

结论：参照油缸样本,选择油缸缸径280mm杆径180mm。

第三章 框架的有限元分析

3.1 框架静强度分析

综合框架受力分析，水平框架总负荷虽较升降框架小，但是由于其各点受力位置的影响，水平框架的受力环境要比框架恶劣，所以我们主要计算分析水平框架在负荷下的变形及应力分布。

3.1.1第1步 结构建模

首先要完成水平框架的三维建模，如图3-1所示：下图模型的建立是在人为假设一个优化方案后建成的，得出分析结论后来验证优化方案是否可行。

3.1.2 第2步 简化结构

由于水平框架各负荷点的同类性，我们可以将模型简化后（截取其中受力条件较差的一部分）再进行分析计算，这样可大大减少计算机的计算量，能够快速的完成计算，得到我们想要的结果。简化后的模型如图3-2所示：

3.1.3 第3步 生成结论

为模型添加材质后，在相应位置上施加载荷、添加约束后进行网格化分并分析后得出如下分析报告：

1)图3-3为应力分布图，由图所示可以看到最大应力155MPa.应力集中地点为支点约束下方。

2)图3-4为位移分布图，由图所示最大位移为2.2mm。

出现最大位移的位置为大梁两支点的中间。

结论：参照三维软件的有限元分析得出的结果来看，静强度分析结果均在各项许用范围内，故我们的优化方案是可行的。

3.2 框架的刚度分析

完成框架的强度分析之后，我们来对框架的刚度进行分析，以升降框架为例，分析框架在受到不对称外力后，框架抵抗变形的能力。

3.2.1 第1步 结构建模

首先要完成升降框架的三维建模，如图3-6所示：下图模型的建立是在有限元强度分析之后，对原参考方案进行优化后建成的，再次用有限元分析验证优化后框架的刚度是否满足要求。

框架梁总长36m，宽度3.2m,梁高450mm。

3.2.2 第2步 添加校核刚度载荷

为了验证框架刚度，我们采用一种极端加载的方式，见图3-7.在框架一侧加载一个单作用力F＝10t(经验值)，框架另一侧约束固定，分析在这种受力状态下框架的变形情况，这种受力状态存在于两侧油缸短时不同步或因框架负荷偏载时产生。

3.2.3 第3步 分析结果：如下图3-8所示。

如上图所示，当框架两内里载荷不均匀或者受力不平衡时，会产生相对滑动，使框架变形严重，要采用措施克服这种变形对框架造成的不良影响。

3.2.4 第4步 增加刚度方法的有限元分析验证 

针对上述分析结果，我们采取将框架中间增加交叉梁的方法来增强框架的刚度，如下图3-9所示：

按上述第2步重新对框架进行有限元分析，分析结果如下图3-10所示：

对比图3-9与图3-10得出,在同等载荷条件下,框架中间增加交叉梁的办法对增加框架刚度的作用是非常明显的,最大位移由原来的3.4mm降低到了1.3mm.充分验证了这种增强框架刚度方法的正确性和必要性。

综上分析所得,对载荷条件较复杂和在工况恶劣环境下工作的结构设备,对其主要结构进行强度和刚度的有限元分析是可行和非常必要的,分析结果可以有非常有效的指导我们设计的可靠性和最大限度的优化,为设计提供有力的理论性技术支持。

第四章结论

本文主要介绍了一种步进式加热炉炉底机械的设计方法及其主要结构部件的有限元分析方法,并且有针对性的提出了此类设备设计的注意事项及改进方法。

本文采用了对比分析法与类比法及CAD几何法相结合的设计思路对本文所论述的设备进行了深入细致的计算与分析，建立了实体模型；并通过CAE仿真分析对炉底机械的重要结构进行动态及静态分析，在此基础上给出了一个可行的优化方案，为该设备在性能、可靠性、适用性、经济性等方面提供了充分理论依据。用一个生动的实例证明了CAE仿真分析（有限元分析）在机械设计中的重要性。

第五章参考文献

1.《中小型轧钢机械设计与计算》 冶金工业出版社。

2.《机械设计手册》第5版 闻邦椿 机械工业出版社。

3.《机械最优化设计》 刘惟信 清华大学出版社

4.《起重机的设计》 

5.《SoildWorks2009实用教程》 王喜仓 于新民 清华大学出版社

6.《SoildWorks2009机械设计行业应用实践》 零点工作室 机械工业出版社