1、步进加热炉支撑梁设计优化1总论支撑梁的设计优化建立在结构力学计算的基础之上。由于采用汽化冷却，饱和蒸汽压力为最高 1.27MPa，饱和蒸汽的温度为 197。因此，支撑梁材料机械性能不能利用常温强度数据，屈服强度和弹性模量均需按 200温度下的数据取值。由于管道壁厚远远超过承受蒸汽压力所需，故不必核算蒸汽压力造成的管壁强度，只需要核算结构力学方面的数据。整个支撑梁需要核算三部分的数据：1）纵梁核算：a、最大应力。b、挠度。2）立柱核算：立杆稳定性。3）垫块核算：垫块对钢坯的压强。下面以坯料尺寸为 16016012000mm 的步进加热炉为例进行设计计算。2共同技术参数：钢坯尺寸：160160 1
2、2000mm钢坯单重：2411kg钢坯分布间距：260mm钢材屈服强度（200）： s=185MPa钢材许用应力（200）：【】=107MPa钢材弹性模量（200）：E=192GPa3活动梁计算纵梁断面尺寸如下图：计算纵梁惯性矩为：I=105558527mm 4纵梁最大跨度：L=3100mm活动梁分布如下图：考虑 3100mm 跨间钢坯总重、纵梁自重、包扎材料重量，经计算得到：F1=9064kg，F2=7045kg。外侧活动梁受力大，强度校核以外侧梁为准。3.1 纵梁应力核算纵梁跨中下缘弯矩最大，应力也最大。纵梁载荷为均布载荷，q=28655N/m。弯矩 Mmax=ql2/8=286553.1
3、2/8=34421Nm应力 =My/ I=48.6MPa(y 为纵梁下缘到截面中心线的距离 )纵梁最大应力只有钢材许用应力的 45%，安全。3.2 纵梁挠度W=5ql4/(384EI)=1.7mm，为跨度的 0.5（4）符合要求。3.3 立柱稳定性核算仅需核算单立柱稳定性。立杆的稳定性必须通过压杆受力稳定性计算公式欧拉公式进行，而不是简单的计算断面压强。立柱外径 D=159mm，内径 d=123mm立柱截面面积：A=7973mm 2立柱惯性矩 I=20137722mm4立柱根部到垫块顶部之间自由摆动长度 L=4480mm立柱长细比 =170 IAl2查结构设计手册得：折减系数 =0.243立柱
4、许用压应力 m= 2E/ 2=14.5MPa立柱允许压力 Fm= mA=11768kg实际压力 F1 =9064kgFm，表明立柱安全。3.4 垫块压强垫块顶面宽度：40mm垫块长度：160mm垫块之间空隙：40mm垫块对钢坯的最大支撑力：672.4kg钢坯与垫块最小接触面积：160-40=120mm垫块对钢坯的最大压强：Pmax=672.49.8/（12040）=1.372MP1.57MPa注：1000炉温时垫块面压上限 2.45MPa1100炉温时垫块面压上限 1.96MPa1200炉温时垫块面压上限 1.57MPa1200炉温时垫块面压上限 1.18MPa4.固定梁计算纵梁断面尺寸如下图
5、：计算纵梁惯性矩为：I=105558527mm 4纵梁最大跨度：L=3100mm固定梁分布如下图：考虑 3100mm 跨间钢坯总重、纵纵梁自重、包扎材料重量，经计算得到：F1=5839kg，F2=6797kg，F3=4940kg 。第 2、4 固定梁受力最大，强度校核以此为准。4.1 纵梁应力核算纵梁跨中下缘弯矩最大，应力也最大。纵梁载荷为均布载荷，q=21488N/m。弯矩 Mmax=ql2/8=214883.12/8=25812Nm应力 =M maxy/ I=36.4MPay纵梁下缘到截面中心线的距离纵梁最大应力只有钢材许用应力的 34%，安全。4.2 纵梁挠度W=5ql4/(384EI)
6、=1.27mm，为跨度的 0.41（4）符合要求。4.3 立柱稳定性核算立柱外径 D=140mm，内径 d=104mm立柱截面面积：A=6899mm 2立柱惯性矩 I=13114880mm4立柱根部到垫块之间自由摆动长度 L=2837mm立柱长细比 =130 IAl2查结构设计手册得：折减系数 =0.401立柱许用压应力 m= 2E/ 2=44.8MPa立柱允许压力 Fm= mA=31586kg实际压力 F2 =6797kgFm，表明立柱安全。4.4 垫块压强垫块顶面宽度：40mm垫块长度：160mm垫块之间空隙：40mm垫块对钢坯的最大支撑力：482.3kg钢坯与垫块最小接触面积：160-4
7、0=120mm垫块对钢坯的最大压强：Pmax=482.39.8/（12040）=0.985MP1.57MPa (1200炉温垫块面压上限)5.总结51 步进梁在炉宽方向应该合理布置间距，尽量使各梁承载力接近相同，避免各梁载荷的不均匀性。加热炉 3#固定梁载荷很小，可以减去一根。5.2 纵梁的强度普遍偏大，设计时可以考虑增加立柱间距（减少了立柱个数） ，或者减少无缝钢管的壁厚（在腐蚀寿命保障的前提下） 。经计算固定梁纵梁壁厚低到 10mm、活动梁纵梁壁厚低到 14mm 的时候，仍能满足结构力学强度要求。5.3 立柱应该核算稳定性，而不是受压强度。利用压杆欧拉公式计算出的受力极限远低于从屈服强度计算到得临界压力。5.4 立柱长细比对受力上限影响很大，同样的断面尺寸，活动梁立柱受力上限比固定梁的小得多。反过来说，固定梁立柱可以大幅度优化，或减少壁厚，或减小直径。经计算，加热炉固定梁立柱最低可以采用 11414mm 的无缝钢管。5.5 在高温段，垫块对热钢坯的最大压强已经接近极限，不要再优化。低温段垫块为 0Cr25Ni20，钢坯 600以下区域可以适当减少垫块厚度，加热炉低温区域，焊接垫块厚度可以减至 30mm。如果钢坯热装，垫块厚度不能减小。一度热量2017-3-8
