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本文的研究對象拉矯機(jī)為鉗式框架結(jié)構(gòu)，主要由機(jī)架、鉗桿、壓下臂、液壓缸、上下輥裝配、電機(jī)、減速機(jī)、隔熱水套和冷卻水系統(tǒng)組成，如圖所示。拉坯機(jī)的上、下輥均為傳動輥，矯直機(jī)只有上輥傳動。壓下裝置的各個動作由液壓缸來完成。
拉矯機(jī)的強(qiáng)度直接決定其工作安全性，進(jìn)而影響鑄坯的尺寸精度和質(zhì)量。因此，對拉矯機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析具有重要的實際意義。拉矯機(jī)的設(shè)計中，為了克服拉坯阻力和裝引錠桿時拉輥的受力，必須在輥子上施加一定的正壓力。經(jīng)過計算可知，裝引錠桿時的正壓力最大，于是只分析裝引錠桿時的情況。裝引錠桿時，引錠桿向上運(yùn)行，摩擦阻力向下，下滑力向下，則裝引錠桿拉輥的受力。由于有兩對拉輥，對一對拉輥的上輥，拉輥的受力，輥子上正壓力，從結(jié)構(gòu)上看，液壓缸的壓下力與拉輥的壓下力之間有杠桿關(guān)系，則液壓缸的壓下力。
建立拉矯機(jī)幾何體，將減速機(jī)和電機(jī)壓縮，以簡化模型。 零件(除輥子外)材料選用普碳鋼，輥子材料選用合金鋼。將機(jī)架底部六塊面板的下表面選擇為固定幾何體。對上下輥各施加壓力161390.75 N，摩擦力6455.63 N、轉(zhuǎn)矩1129.74 N.m；對液壓缸活塞施加壓力105421.51 N；對液壓缸底部施加壓力105421.51 N，忽略周向力(相互抵消)。對上下輥軸端減速機(jī)位置各施加壓力3000 N(由于減速機(jī)已經(jīng)壓縮)。由圖可以看出，受力比較大的兩個區(qū)域是被活塞桿壓下的鉗桿上部的面板，還有鉗桿和機(jī)架鉸接處的銷軸孔邊緣及銷軸。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在后者區(qū)域，約210.3MPa。材料是Q235，屈服強(qiáng)度235 MPa，選取安全系數(shù)n=1.5，則許用應(yīng)力n=235/1.5 =156.7 MPa。顯然，許用應(yīng)力小于計算得到的最大等效應(yīng)力，有安全隱患。所以必須進(jìn)行改進(jìn)，考慮到銷軸孔邊緣的應(yīng)力集中，于是對銷軸孔邊緣倒圓角。為了增加銷軸的強(qiáng)度，將銷軸材料換為合金鋼。被活塞桿壓下的鉗桿上部的面板也存在安全隱患，在其下方增加了一個支撐板，同時保證其剛度要求，如圖所示。再次計算后，最大等效應(yīng)力明顯降低，接近148 MPa。最大等效應(yīng)力小于許用應(yīng)力。因此改進(jìn)后的設(shè)計是安全的，拉矯機(jī)的強(qiáng)度滿足工作要求。
由于拉矯機(jī)長時間處于高溫輻射狀態(tài)下工作，所以對拉矯機(jī)各部分設(shè)備要進(jìn)行有效冷卻和保護(hù)，防止設(shè)備構(gòu)件產(chǎn)生高溫蠕變、拉坯阻力增加等問題。對拉矯機(jī)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行流動和熱交換分析，有助于改進(jìn)水路結(jié)構(gòu)，從而延長拉矯機(jī)使用壽命。
本項目拉矯機(jī)的冷卻水系統(tǒng)包括:軸承座及上下輥通水內(nèi)冷；壓下臂、鉗桿通水內(nèi)冷；減速機(jī)通水內(nèi)冷；將紅熱鑄坯罩住的隔熱水套通水內(nèi)冷；機(jī)架通水內(nèi)冷。水冷機(jī)架還起到分水箱的作用，所有水冷卻部件的進(jìn)出水管都與機(jī)架連接，機(jī)架上只有一個進(jìn)水管和出水管，便于拉矯機(jī)整體快速更換，提高連鑄作業(yè)率。
模擬類型設(shè)為允許熱傳導(dǎo)，包括固體與固體之間，固體與流體之間。流體設(shè)置為水，固體材料選為普碳鋼。設(shè)置進(jìn)水口的流量3.6 kg/s和出水口的壓力601325 Pa。要保證水流的暢通，不允許出現(xiàn)死水和關(guān)鍵水路的流量過小。因為上述兩者都不能及時帶走熱量，致使水溫升高，影響冷卻效果。
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