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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160×160×12000mm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：160×160×12000mm 钢坯单重：2411kg 钢坯分布间距：260mm 钢材屈服强度（200℃）：σs=185MPa 钢材许用应力（200℃）：【σ】=107MPa 钢材弹性模量（200℃）：E=192GPa 3．活动梁计算 纵梁断面尺寸如下图： 计算纵梁惯性矩为：I=105558527mm4 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=28655×3.12/8=34421N·m 应力σ=M×y/ 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=7973mm2 立柱惯性矩Im4 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 查结构设计手册得：折减系数ω=0.243 立柱许用压应力σm=ωπ2E/λ2=14.5MPa 立柱允许压力Fm=σm×A=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=672.4×9.8/（120×40）=1.372MP＜1.57MPa 注：1000℃炉温时垫块面压上限2.45MPa 1100℃炉温时垫块面压上限1.96MPa 1200℃炉温时垫块面压上限1.57MPa 1200℃炉温时垫块面压上限1.18MPa 4.固定梁计算 纵梁断面尺寸如下图： 计算纵梁惯性矩为：I=105558527mm4 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=21488×3.12/8=25812N·m 应力σ=Mmax×y/ I=36.4MPa y——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)=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=6899mm2 立柱惯性矩Im4 立柱根部到垫块之间自由摆动长度L=2837mm 立柱长细比 =130 查结构设计手册得：折减系数ω=0.401 立柱许用压应力σm=ωπ2E/λ2=44.8MPa 立柱允许压力Fm=σm×A=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：160-40=120mm 垫块对钢坯的最大压强： Pmax=482.3×9.8/（120×40）=0.985MP＜1.57MPa (1200℃炉温垫块面压上限) 5.总结 5．1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