我所在研發(fā)VCFW- 8T 真空自耗電極電弧爐過(guò)程中，提出了能否延用VCFW- 3T 電弧爐稱重機(jī)構(gòu)的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，首先利用Algor 軟件對(duì)VCFW- 3T 稱重機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，再嘗試更改工況條件，分析其能否滿足VCFW- 8T 的實(shí)際使用要求并進(jìn)行系列化應(yīng)用。除此之外還探索Algor 在真空爐優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果。

　　真空電弧爐的電子稱重機(jī)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱稱重機(jī)構(gòu))是全自動(dòng)的恒熔速控制真空電弧爐的關(guān)鍵核心機(jī)構(gòu)，設(shè)備利用該機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)檢測(cè)的電極系統(tǒng)重量變化過(guò)程參數(shù)作為智能閉環(huán)過(guò)程控制的輸入反饋信號(hào)，通過(guò)與預(yù)先定量設(shè)計(jì)的編程參數(shù)的比較計(jì)算，實(shí)現(xiàn)引弧、恒熔速熔煉、熱封頂?shù)裙に囘^(guò)程的全自動(dòng)控制。Algor 是一款大型通用有限元軟件，可以方便的導(dǎo)入各種格式的三維模型文件，并建立有限元網(wǎng)格，進(jìn)行多種類型的分析，同時(shí)Algor 的非線性分析功能中還提供機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真功能，可以分析在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力等情況。

1、背景分析

　　我所在研發(fā)VCFW- 8T 真空自耗電極電弧爐項(xiàng)目時(shí)，在其稱重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、系列化問(wèn)題，提出了能否延用已定型成熟的VCFW- 3T 電弧爐稱重機(jī)構(gòu)的假設(shè)。對(duì)于3 t電弧爐稱重機(jī)構(gòu)的分析主要在于驗(yàn)證其設(shè)計(jì)能否滿足VCFW- 8T(以下簡(jiǎn)稱8 t 電弧爐)的工況條件，并在8 t 電弧爐工況條件下得出最終結(jié)論。

　　由于在VCFW- 3T 電弧爐稱重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要以傳統(tǒng)的人工計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，同時(shí)為了便于后續(xù)系列化應(yīng)用，在設(shè)計(jì)過(guò)程中留有較大的富余量，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)的本文才提出了將3 t 電弧爐的稱重機(jī)構(gòu)應(yīng)用到8 t 電弧爐的可行性問(wèn)題。

2、問(wèn)題簡(jiǎn)化

　　如圖1 所示稱重機(jī)構(gòu)的基本原理可以概括為，框架上方的兩個(gè)活動(dòng)支座將電極系統(tǒng)所有的重力傳遞到調(diào)整柱上，再于調(diào)整柱將重力傳遞到三個(gè)壓力傳感器上。整個(gè)機(jī)構(gòu)類似杠桿原理將力有效分配。機(jī)構(gòu)的傳感部分及控制部分等相關(guān)原理不屬于本文分析及討論內(nèi)容，故在此不贅述。

圖1 稱重機(jī)構(gòu)示意圖

　　綜上，我們可以把此機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為框架及上下四個(gè)支座受力問(wèn)題(下框架可簡(jiǎn)化為材料力學(xué)問(wèn)題，可易知變形小，不在考慮之內(nèi))，如圖2 所示。那么此問(wèn)題的結(jié)構(gòu)分析，就可以等同于分析此框架及附件在受外力情況下的變形及失效問(wèn)題。

圖2 簡(jiǎn)化后的模型

　　從框架結(jié)構(gòu)可知，四個(gè)支座都是通過(guò)銷軸將力傳遞到框架的，整個(gè)框架受力矩作用，框架的焊縫或開(kāi)橢圓孔處由于幾何形狀突變導(dǎo)致應(yīng)力集中，可能失效;銷軸受剪切力作用，銷軸與框架連接部位可能出現(xiàn)由剪切應(yīng)力引起失效。由上述分析，可得出可能產(chǎn)生失效的原因歸納如下：

　　(1) 銷軸受剪切力，剪切失效;

　　(2) 框架交界焊縫處，應(yīng)力集中產(chǎn)生破壞;

　　(3) 框架上下板開(kāi)橢圓孔處，應(yīng)力集中產(chǎn)生破壞;

　　其中我們?cè)诜治鲞^(guò)程將第一個(gè)可能性與后兩個(gè)分開(kāi)進(jìn)行分析，并分別對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。

3、銷軸部分分析

3.1、前處理及求解

　　從稱重機(jī)構(gòu)的機(jī)械工作原理可知，每框架上部的兩上支座與下部?jī)芍ё�受力情況一致，每個(gè)支座受整個(gè)稱重機(jī)構(gòu)受力的一半，我們?cè)谠O(shè)置邊界條件時(shí)，由長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)作以下假設(shè)：

　　(1) 3 t 電弧爐加載在稱重機(jī)構(gòu)上的力，最大情況下不大于6 t (包括自耗電極及電極桿等其它附件)。

　　(2) 8 t 電弧爐加載在稱重機(jī)構(gòu)上的力，最大情況下不大于16 t(包括自耗電極及電極桿等其它附件)。

　　以上兩點(diǎn)假設(shè)的受力數(shù)值大于實(shí)際情況，用于保證安全性。

　　由于針對(duì)第一個(gè)假設(shè)進(jìn)行建模，針對(duì)應(yīng)力可能集中的部分，將網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。分別按3 t 電弧爐與8 t 電弧爐的假設(shè)工況設(shè)置邊界條件并進(jìn)行求解。

3.2、分析結(jié)果

圖3 銷軸的分析結(jié)果

　　從圖3 中列出了銷軸分別在受3 t 與8 t 力(由于對(duì)稱，所以受載為假設(shè)總載荷的一半)的情況下的應(yīng)力與位移結(jié)果圖。從圖中結(jié)果我們可以得出在8 t 電弧爐工況下(受力16 t 的情況下)，銷軸受剪切力小于45# 鋼的抗剪強(qiáng)度，沒(méi)有發(fā)生剪切破壞。從最大應(yīng)力112 MPa 的情況來(lái)看，此處產(chǎn)生的剪切應(yīng)力已經(jīng)比較大了，但仍可通過(guò)加粗直徑等方法來(lái)減小。

　　由于，剪切未使銷軸破壞，我們可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，將模型簡(jiǎn)化為框架直接受力，進(jìn)一步分析框架上可能出現(xiàn)的失效現(xiàn)象。

4、框架部分分析

4.1、前處理及求解

　　從整個(gè)框架的結(jié)構(gòu)來(lái)看，兩個(gè)朝上的支座把力加載到框架上的銷軸上，再由兩個(gè)向下的支座把力加載到下面的機(jī)構(gòu)中。整個(gè)框架主要受到由

　　力引起的力矩作用，在其薄弱處可能產(chǎn)生破壞。針對(duì)簡(jiǎn)化模型與假設(shè)工況，進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，把力加載到框架的左右兩側(cè)銷軸處(此處支座向上)，將向下的支座對(duì)應(yīng)的兩銷軸設(shè)為固定，并進(jìn)行求解。

　　在劃分網(wǎng)格時(shí)，由于框架主體為方管，預(yù)估變形不大，采用塊體單元(六面體主導(dǎo)的混合網(wǎng)格，單元空間4~20 個(gè)節(jié)點(diǎn))網(wǎng)格較為合適[3]。

4.2、一般網(wǎng)格分析結(jié)果

圖4 框架分析結(jié)果

圖5 細(xì)化網(wǎng)格之后的分析結(jié)果

　　從分析的結(jié)果(如圖4 所示)可以得知應(yīng)力主要集中在橢圓開(kāi)孔處和焊縫處。邊界條件為3 t 電弧爐實(shí)際工況時(shí)，集中應(yīng)力應(yīng)力較小為38 MPa，當(dāng)邊界條件為8 t 電弧爐時(shí)，框架最大應(yīng)力為100 MPa，且兩種工況的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在框架后部橢圓孔處。從應(yīng)力分部圖中也可知，方管焊縫處和銷軸支座與框架焊接處也有較為明顯的應(yīng)力集中，在8 t 電弧爐工況下，以上部位集中應(yīng)力達(dá)到了70 MPa~80 MPa。

　　為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們?cè)谇蠼膺^(guò)程中，除采用上述參數(shù)進(jìn)行計(jì)算求解外，還針對(duì)此問(wèn)題，使用了細(xì)化網(wǎng)格和二階單元分別進(jìn)行求解，并比較幾種方法的分析結(jié)果。

4.3、細(xì)化網(wǎng)格分析結(jié)果

　　對(duì)于整個(gè)模型進(jìn)行細(xì)化處理，而后針對(duì)應(yīng)力集中往往出現(xiàn)在表面的情況，還要對(duì)表面網(wǎng)格進(jìn)行增強(qiáng)處理。使網(wǎng)格質(zhì)量大大提高。但從結(jié)果上看，其變化小，說(shuō)明了相對(duì)于整個(gè)框架的大小，原先的網(wǎng)格劃分是合適的。

4.4、二階單元分析結(jié)果

　　使用二階單元分析，主要是起到驗(yàn)證性的作用，當(dāng)應(yīng)用二階單元網(wǎng)格的分析結(jié)果與原分析結(jié)果相差很多時(shí)，說(shuō)明原分析可能在網(wǎng)格設(shè)置上有錯(cuò)誤。應(yīng)用二階單元，主要目地是為了改善塊單元的剛性，使其更適合變形量較大的情況[4]。由于二階單元會(huì)使計(jì)算時(shí)間大增，同時(shí)也由于二階單元在使用時(shí)不需要過(guò)密的網(wǎng)格，所以在分析時(shí)，我們?nèi)藶榈貙⒕W(wǎng)格的大小還原致默認(rèn)大小(約比原分析大10%)以提高運(yùn)算速度，且不致于降低求解精度。

　　從分析結(jié)果中來(lái)看使用二階單元網(wǎng)格會(huì)使求解結(jié)果變大，但變化不明顯。使用二階單元消耗了大量的計(jì)算時(shí)間，幾乎是原來(lái)計(jì)算時(shí)間的十倍左右，而結(jié)果卻增加不多。這既說(shuō)明了，此模型中變形很小，應(yīng)用二階單元并未取得很好的效果，又說(shuō)明了原先的網(wǎng)格劃分和求解解果是可信的。

圖6 二階單元網(wǎng)格分析結(jié)果

4.5、分析結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)以上分析，得出如下結(jié)論：

　　(1) 此套稱重機(jī)構(gòu)完全可以勝任3 t 電弧爐的工況要求，這一點(diǎn)無(wú)論從現(xiàn)場(chǎng)使用情況，還是從CAE 分析情況來(lái)看都是沒(méi)有問(wèn)題的。

　　(2) 在分析過(guò)程中，對(duì)一些工況參數(shù)做了放大處理得到了假設(shè)工況，比如加載力的大小和對(duì)于焊縫的處理上。在實(shí)際情況中稱重機(jī)構(gòu)框架的焊縫比較大，而在分析中采用簡(jiǎn)化處理，所以實(shí)際中的大焊縫會(huì)對(duì)整個(gè)框架的應(yīng)力集中處起到補(bǔ)強(qiáng)的作用，從實(shí)際中看，這種補(bǔ)強(qiáng)的效果很明顯，所以如果8 t 電弧爐應(yīng)用此套稱重機(jī)構(gòu)，其結(jié)果會(huì)好于CAE 分析結(jié)果。

　　(3) 對(duì)于8 t 電弧爐的工況來(lái)說(shuō)，雖然分析結(jié)果未導(dǎo)致失效，但是建議在集力應(yīng)中處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如：加大銷軸直徑、在框架內(nèi)部加支撐角鋼、在開(kāi)孔處加補(bǔ)強(qiáng)片等方法。

5、總結(jié)

　　(1) 對(duì)于此類工程問(wèn)題，遠(yuǎn)非材料力學(xué)、理論力學(xué)等基礎(chǔ)力學(xué)所能解決。目前在很多實(shí)際工程問(wèn)題中往往憑工程師的經(jīng)驗(yàn)及簡(jiǎn)化計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)，存在著較大的設(shè)計(jì)余量。

　　(2) 通過(guò)分析此套稱重機(jī)構(gòu)，只須對(duì)局部進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化即可應(yīng)用在8t 電弧爐上。同時(shí)也就意味著此套機(jī)構(gòu)能應(yīng)用在3t 到8t 電弧爐系列化產(chǎn)品中，避免了系列化產(chǎn)品的重復(fù)設(shè)計(jì)，提高了研發(fā)效率。

　　(3) 通過(guò)實(shí)踐證明，Algor 軟件能夠勝任工程中的結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題，應(yīng)用有限元軟件可以有效地幫助工程設(shè)計(jì)人員更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約研發(fā)成本。