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连铸机结晶器振动系统偏心轴失效机理研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 连铸机技术发展概况

1.1.1 模铸概述

1.1.2 连铸机的发展概况

1.1.3 连铸机的分类

1.1.4 弧形连铸机工作原理

1.1.5 连铸与模铸比较的优点

1.2 连铸机结晶器及其振动系统的国内外发展现状

1.2.1 结晶器简介

1.2.2 结晶器振动装置发展概述

1.2.3 连铸机结晶器振动技术国内外发展现状

1.3 失效机理研究理论

1.3.1 断裂的定义和分类

1.3.2 疲劳与疲劳寿命

1.3.3 断口分析

1.3.4 轴的工艺研究及疲劳研究现状

1.4 课题来源、研究意义及主要内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 研究意义

1.4.3 主要内容

第二章 结晶器振动系统偏心轴断口分析

2.1 偏心轴断口宏观检查

2.2 化学成分分析

2.2.1 化学成分分析的目的

2.2.2 试验原理与仪器

2.2.3 试验数据与图像

2.2.4 试验结果分析

2.3 金相分析

2.3.1 金相分析的目的

2.3.2 试验仪器与主要技术指标

2.3.3 金相分析与显微硬度测试

2.3.4 金相结果分析

2.4 断口电镜扫描

2.4.1 电镜扫描的目的

2.4.2 试验原理与仪器

2.4.3 电镜扫描图像

2.4.4 电镜扫描结果分析

2.5 本章小节

第三章 连铸机结晶器振动机构运动学分析

3.1 结晶器振动方式的发展简介

3.1.1 矩形速度规律

3.1.2 梯形速度规律

3.1.3 正弦振动规律

3.1.4 非正弦速度规律

3.2 小方坯连铸机结晶器振动规律

3.2.1 结晶器振动装置的工作原理

3.2.2 小方坯连铸机结晶器振动的基本规律和振动参数

3.3 振动机构运动分析

3.3.1 复数矢量运算

3.3.2 结晶器振动机构运动分析

3.4 结晶器振动机构力学建模

3.4.1 动力学建模方法

3.4.2 连铸机结晶器振动机构动力学建模

3.5 本章小结

第四章 振动系统偏心轴有限元静态分析

4.1 偏心轴的主要力学性能检测

4.1.1 偏心轴的力学性能分析试验

4.1.2 试验结果分析

4.2 偏心轴的有限元静态分析流程

4.2.1 偏心轴的工作原理

4.2.2 偏心轴有限元静态分析流程

4.3 偏心轴有限元实体建模

4.3.1 坐标系的选择

4.3.2 单元选择

4.3.3 材料属性

4.3.4 模型的建立

4.3.5 网格划分

4.4 偏心轴的有限元静力学分析

4.4.1 约束施加

4.4.2 偏心轴静载荷计算

4.4.3 结果分析

4.5 本章小结

第五章 连铸机振动系统偏心轴的模态分析

5.1 偏心轴模态分析的必要性

5.2 多自由度系统振动方程及其解耦理论

5.2.1 模态分析的实质

5.2.2 多自由度系统振动方程及其解耦

5.3 偏心轴模态分析与结果讨论

5.3.1 模态分析模型的建立

5.3.2 模态求解和结果分析

5.4 本章小结

第六章 偏心轴失效机理及其改进方案

6.1 偏心轴失效的基本原因与基本改进措施

6.1.1 偏心轴失效的基本原因

6.1.2 偏心轴的基本改进措施

6.2 提高偏心轴疲劳强度和延长使用寿命的措施

6.2.1 结构设计

6.2.2 材料选择

6.2.3 毛坯成形

6.2.4 整体改性处理

6.2.5 表面改性处理

6.3 改进后的偏心轴使用效果

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要工作与结论

7.2 后期展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果

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摘要

现代连续铸钢技术是钢铁生产中的重要工艺环节,在学习和引进国外先进技术后,近年来我国的连续铸钢技术发展迅速。广东某炼钢厂从意大利引进的小方坯连铸机结晶器振动系统的偏心轴时有发生断裂事故,影响钢坯的生产,使炼钢厂造成较大的经济损失。研究偏心轴的失效机理,以保证连铸生产正常运行,具有重要的技术经济意义。本文以小方坯连铸机结晶器振动系统偏心轴为研究对象,主要研究工作如下:
   运用断口分析理论与技术,对偏心轴断口试样进行了断口形貌分析、能谱分析和微观组织结构分析,提出了偏心轴因疲劳裂纹扩展而引起断裂失效的观点;
   完成了小方坯连铸机结晶器振动装置的机构分析。运用矢量方程法推导了四连杆振动机构的运动约束方程组;应用牛顿-欧拉法获得了振动机构的动力学牛顿-欧拉方程组。在此基础上,求得了连杆的作用力,为偏心轴的受力分析和有限元分析做准备;
   建立了偏心轴的有限元模型,完成了偏心轴的静态和模态有限元分析,分析偏心轴在负载运行时的应力极限值与危险截面,研究了偏心轴所受载荷、振动频率及振型与其断裂失效的关系。
   分析了结晶器振动系统偏心轴失效的基本原因,根据对偏心轴进行的理论分析,从结构设计、材料选择、毛坯锻造、整体改性和表面改性等方面进行了偏心轴的改进设计,所制造的偏心轴使用寿命显著提高。
   本文的研究工作对于解决广东某炼钢厂小方坯连铸生产线振动系统偏心轴断裂失效的故障提供了理论依据,课题的研究解决了该炼钢厂偏心轴断裂失效的难题,具有重要的工程应用价值。

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