小方坯连铸机振动装置支撑梁的设计与分析_赵勋亚(1)

小方坯连铸机振动装置支撑梁的设计与分析

赵勋亚 黄 进 张静双

（中冶赛迪工程技术股份有限公司连铸事业部， 重庆 401122）

【摘 要】采用钢结构梁作为振动装置支撑梁，不仅结构简单，而且方便实用。本文根据连铸机振动装置支撑梁的设计，采用有限元方法对其强度、刚度进行计算，并分析了支撑梁的模态，得到结构合理的振动装置支撑梁。

【关键词】钢结构梁 有限元 模态分析

在小方坯连铸机中，结晶器振动装置的支撑方式一般有两种，分为混凝土墩子支撑和钢结构梁支撑。由于承载的负荷大，且振动装置在电机或液压缸的驱动下作规律的往复运动，支撑结构承载的是循环冲击载荷，如果采用混凝土墩子支撑，必然导致墩子基础过大，不符合现场生产条件。现阶段设计的连铸机中，振动装置的支撑一般都采用钢结构梁方式进行支撑，钢结构梁不仅刚度好、强度高，

且占用空间较小，安装检修方便[1]

。

本文以某连铸机结晶器振动装置的钢结构支撑梁为设计和分析对象，利用CAD 技术建立振动装置支撑梁模型，然后利用有限元技术计算支撑梁的强度和变形，并进行了支撑梁的模态分析，经过不断的优化，得到结构合理、安全可靠、功能优秀的振动装置支撑梁，为以后的振动装置支撑梁设计提供了依据和参考。

1 某连铸机振动装置支撑梁的结构

某连铸机共有5流，结晶器振动装置为板簧式四连杆机构，采用电机驱动，结晶器及振动装置的冷却水及喷淋水进口布置在内弧侧，振动装置支撑梁上不带水管、水套等附属设备。

由于连铸机流间距较小，振动支撑梁设计为一根整体梁，5流结晶器振动装置共用一根振动梁；为了保证振动梁的稳定性和可靠性，振动装置支撑梁两端设有防滑筋；靠近铸坯侧温度较高，振动装置支撑梁设置有隔热板。振动装置支撑梁如图1所示，结构简单实用，占用空间小。

（a） （b）

图1 某连铸机振动装置支撑梁

振动装置安装座， 共5流

隔热板

防滑筋

2 连铸机振动装置支撑梁强度及刚度分析

由于5流连铸机结晶器振动装置共用一根振动梁，梁的跨度大，达到8000 mm，梁上的载荷大，且是冲击载荷，为了保证连铸机的精度，生产合格的铸坯，振动装置支撑梁的强度和刚度必须足够。针对该振动装置支撑梁，虽然支撑梁承受的是由振动装置在电机驱动下作规律的往复运动而产生的循环冲击载荷，但是可以根据达朗伯原理，使用动静法将此问题简化为支撑梁承受静载问题。本文利用有限元软件ABAQUS 进行计算分析。 2.1 振动装置支撑梁力学简化模型

模型中假设梁的焊缝完好，忽略了对结构强度影响很小的部件和零件中的倒角，如隔热板等。 2.2 材料参数

振动装置支撑梁采用Q345-B 板材焊接制造，材料性能参数如表1所示。

表 2 材料性能参数

材料

密度 (kg/m 3

)

杨氏弹性模量

(MPa) 泊松比

Q345-B

7850

2.1×105

0.3

2.3 载荷及约束条件

振动装置支撑梁的载荷包括本体自重，振动装置重量及振动负荷，其中每个振动装置的重量约为3 t，每个振动负荷为40 KN。

振动装置支撑梁两端防滑筋埋入在土建基础内，并用地脚螺栓进行固定，因此模型中将防滑筋及地脚螺栓孔的自由度全部约束，振动装置重量及振动负荷施加在支撑梁的振动装置安装座上，如图2

所示。

图

2 支撑梁的载荷及约束条件

图3 支撑梁的网格划分

2.4 网格划分

整个结构采用精度较好的六面体线性单元离散，共划分135503个单元，如图3所示。 2.5 计算结果分析

振动装置支撑梁结构简单，在生产过程中要保证绝对安全可靠。本振动装置支撑梁结构在设计中经过多次优化，使其形态更加优美、结构更加可靠，优化后的结果如下所述。

振动装置支撑梁的变形如图4所示，支撑梁中间部分变形最大，最大值为0.365 mm，振动装置支撑梁的应力分布云图如图5所示，最大应力值为75.62 MPa，出现在支撑梁两端地脚螺栓处，其余部分应力值水平较低，振动梁中间部分的应力水平在50 MPa

以内。

图

4 支撑梁的变形图

图5 支撑梁的应力分布云图

由以上结果可知，支撑梁的变形量很小，为0.365 mm，且在实际安装过程中，可以通过调整安装垫片的方式抵消支撑梁自重及振动装置重量产生的变形。支撑梁的最大应力值为75.62 MPa，梁的中间部位应力值在50 MPa 以内，远低于Q345-B 材料的屈服强度a

345s MP ＝σ[2]

。振动装置支撑梁

的强度足够，结构安全可靠。

3 连铸机振动装置支撑梁的模态分析

3.1 共振问题的描述

装有动力设备的钢结构支撑梁需要对其进行结构动力分析，结构动力分析首先是要避免“共振”

的发生，一般以模态分析为主，解除共振问题[3]

。

对于自由振动方程在数学上讲就是固有(特征)方程[4-5]

。特征方程的解不仅给出了特征值，即结构的自振频率和特征矢量—振型或模态，而且还能使线性结构在动力载荷作用下的运动解耦，即所谓振型分解法或振形叠加法。因此，特征值问题的求解技术，对于解决结构振动问题来说，是非常重要的。

特征值或特征频率的提取是建立在一个无阻尼自由振动系统上的，即振动方程中没有阻尼项的影响

0Ka a

M =+&& (1) 特征值和结构振动模态描述了结构在自由振

动下的振动特点和频率特征。

通常所说的特征值就是指结构的各阶固有频率(ω)，特征向量就是对应某个振动频率的振动模态(Ф)。公式(1)给出了对特征方程的表达形式，通过对其求解即可得到各阶频率和模态。

0)φM

ω(K

N

MN

2MN

=− (2)

其中MN

K 为刚度矩阵，

如果基本状态下包括了几何非线性的影响，则刚度矩阵中也包括了初始刚度的贡献；MN

M 为质量矩阵。 3.2 振动支撑梁的模态分析

本文利用有限元软件ABAQUS 对振动装置支撑梁进行动态特性分析，采用子空间迭代法(subspace iteration)计算振动装置支撑梁的前10阶固有频率和相应的模态，计算得到的前10阶固有频率如表2所示，图6至图15分别为前10阶固有频率对应的模态。

从支撑梁的前10阶固有模态可见，前4阶振动模态为绕Z 轴的转动和横向（X 向）摆动，第5阶振动模态为竖直方向（Y 向）上的摆动，第9阶和第10阶振动模态为支撑梁立板的局部模态。振动装置运动过程中的动载荷是竖直向下的，其频率范围为0.5～5Hz，远小于支撑梁的第5阶模态的固有频率60.574Hz，故支撑梁发生共振的可能性非常小。

表 2 振动装置支撑梁的前10阶固有频率

阶 次 固有频率（Hz）

1 15.049

2 27.067

3 30.890

4 54.276

5 60.574

6 63.310

7 96.40

8 8 98.182

9 107.97 10

109.10

图6 支撑梁的第1

阶模态

图7 支撑梁的第2阶模态