肖凌俊,劉安中,王 濤

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院,湖北武漢,430081)

飛剪機(jī)架是飛剪機(jī)的永久性部件,是飛剪機(jī)最重要的零部件之一[1]。機(jī)架用來安裝飛剪機(jī)本體并承受剪切時所產(chǎn)生的沖擊和傾翻力,其強(qiáng)度和使用壽命將影響整個設(shè)備的可靠性和機(jī)組的運行效率,因此飛剪機(jī)架應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和長久的使用壽命。掌握飛剪機(jī)架的應(yīng)力和應(yīng)變情況,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞壽命分析對機(jī)架的維護(hù)、使用壽命和設(shè)計水平具有重要的指導(dǎo)意義。2008年底,某廠1 700 mm飛剪機(jī)架傳動側(cè)出口端立柱工藝孔附近多處部位出現(xiàn)裂紋,致使該切頭飛剪不能正常工作,嚴(yán)重地影響了該廠熱軋生產(chǎn)線的正常運行。為此,本文結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)作出危險部位的載荷譜,采用修正Miner法則結(jié)合Corten-Dolan損傷理論對飛剪機(jī)架進(jìn)行疲勞損傷與壽命分析,在此基礎(chǔ)上提出了提高飛剪機(jī)架強(qiáng)度和延長機(jī)架壽命的改進(jìn)方案,并對改進(jìn)方案進(jìn)行了評估。

1 機(jī)架測試方法

1.1 飛剪機(jī)架的疲勞破壞

某廠1 700 mm飛剪機(jī)在年修過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)架傳動側(cè)出口端立柱工藝孔多處發(fā)生斷裂,斷口呈典型的疲勞破壞特征,如圖1所示。為了對機(jī)架進(jìn)行疲勞壽命分析,需確定飛剪機(jī)架危險部位的載荷譜,因此對該飛剪機(jī)架進(jìn)行現(xiàn)場測試。

1.2 飛剪機(jī)傳動軸扭矩測試

圖2為飛剪機(jī)傳動示意圖。由圖2可看出,在傳動軸扭矩測點(1#、2#測點)上安裝扭矩傳

圖1 機(jī)架的疲勞斷裂Fig.1 Fatigue crack of the frame

感器以便測量傳動扭矩,并在傳動軸上組成全橋測試電路。

圖2 飛剪機(jī)傳動示意圖Fig.2 Transm ission of the flying shear

1.3 機(jī)架應(yīng)力測試

應(yīng)力測試主要測量傳動側(cè)機(jī)架入口和出口兩側(cè)面的應(yīng)力(見圖3),并設(shè)置兩個測點(3#和8#測點),在工藝孔兩側(cè)設(shè)置4個測點(4#～7#測點)。在操作側(cè)機(jī)架入口和出口兩側(cè)面分別設(shè)置測點測試應(yīng)力(見圖4中9#、12#測點),同時在底部工藝孔處設(shè)置2個測點(10#、11#測點)測試底部應(yīng)力,并與傳動側(cè)機(jī)架相同位置所設(shè)測點測得的應(yīng)力值作為比較。各測點主應(yīng)力方向均為鉛垂方向,組成半橋測試電路。電橋信號由無線遙測裝置、Wave Book/516E應(yīng)力振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和A/D變換后輸入計算機(jī)進(jìn)行分析、處理。

圖3 傳動側(cè)機(jī)架應(yīng)力測試貼片示意圖Fig.3 Stress test patch on the transm ission side of the frame

圖4 操作側(cè)機(jī)架應(yīng)力測試貼片示意圖Fig.4 Stress test patch on the manipulation side of the frame

2 機(jī)架載荷譜

對測試30CrM nSi、35#鋼、45#鋼、Q 235等不同尺寸規(guī)格的板材剪切時的樣本進(jìn)行分析統(tǒng)計,由此建立該飛剪機(jī)傳動扭矩的載荷譜。圖5為傳動軸扭矩分布直方圖。由圖5可看出,飛剪每完成一次剪切動作,飛剪機(jī)架就受到一次脈動循環(huán)載荷的作用,因此機(jī)架受到r=0的脈動循環(huán)的應(yīng)力作用。

圖5 傳動軸扭矩分布直方圖Fig.5 Torque spectrogram of the transmission shaft

根據(jù)有限元計算結(jié)果,當(dāng)傳動軸輸入扭矩為540 kN·m時,飛剪機(jī)架危險部位的最大應(yīng)力峰值為37.64 M Pa,再結(jié)合圖5飛剪傳動軸扭矩的直方圖,根據(jù)線性比例關(guān)系,得到機(jī)架危險部位的應(yīng)力譜圖。計入尺寸因素和安全系數(shù),將非對稱循環(huán)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為對稱循環(huán)應(yīng)力[2]后,得到機(jī)架危險部位的應(yīng)力直方圖,如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)換的r=-1對稱循環(huán)應(yīng)力載荷譜Fig.6 Converted symmetric circular stress spectrogram

3 疲勞壽命分析

古典的p-S-N曲線理論認(rèn)為,在理想情況下,當(dāng)材料所受應(yīng)力低于疲勞極限應(yīng)力時,材料不產(chǎn)生疲勞損傷,但大量的實驗證明,一旦材料在已產(chǎn)生疲勞損傷的情況下,例如材料結(jié)構(gòu)中已產(chǎn)生微小的裂紋,此時材料在承受低于疲勞極限的循環(huán)應(yīng)力作用下,也能產(chǎn)生疲勞損傷,因此必須將p-SN曲線理論作必要的修正[3](見圖7)。對小于疲勞極限部分的p-S-N曲線(對數(shù)曲線)以(bp-2)斜線來代替原來的水平線(雙線性疲勞累積損傷理論),p-S-N曲線分段公式為

式中:N為材料的循環(huán)次數(shù);σ為材料所受的應(yīng)力,M Pa。

圖7 修正后材料ZG270～500的p-S-N曲線Fig.7 Modified p-S-N curves of ZG270～500

3.1 修正M iner法則的疲勞壽命估算

設(shè)材料在完整使用壽命期間應(yīng)力循環(huán)的總次數(shù)為N總,則某一應(yīng)力級別的應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)ni為[4]

式中:Pi為應(yīng)力級別σi的概率。

按照修正Miner法則定義,當(dāng)臨界損傷之和為一個不等于1的常數(shù)a,有[4]:

時,結(jié)構(gòu)即發(fā)生疲勞破壞,式中:k為載荷譜中的應(yīng)力水平級數(shù);D為臨界損傷和。

該飛剪機(jī)年剪切量約為400萬t,每塊板材的重量平均約為17 t,每塊板材完成一次切頭切尾動作,再計入切取試樣的循環(huán)次數(shù),則該飛剪機(jī)架每年應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)約為6×105次。由文獻(xiàn)[5]可知,取a=0.7,把式(3)代入式(4),該飛剪機(jī)機(jī)架疲勞壽命的計算式為

表1為對應(yīng)σ-1應(yīng)力分布發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Ni統(tǒng)計表。根據(jù)表1中的計算結(jié)果,并結(jié)合式(4),可得出飛剪機(jī)架的疲勞壽命為

表1 對應(yīng)σ-1應(yīng)力分布發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N i統(tǒng)計表Table 1 Stress circular times of fatigue destruction occuring for the stress distribution ofσ-1

3.2 Corten-Dolan疲勞損傷理論的壽命估算

由Corten-Dolan疲勞損傷理論可知[6-7],對于不同的載荷歷程,發(fā)生疲勞破壞時的總損傷D為一常數(shù)。以此為根據(jù),提出以下疲勞壽命計算公式:

式中:T為總疲勞壽命,a;σ1為最高應(yīng)力水平的應(yīng)力幅值,M Pa;N1為應(yīng)力σ1下的疲勞壽命,a;Pi為應(yīng)力水平σi下應(yīng)力循環(huán)數(shù)占總循環(huán)數(shù)的比例;k為應(yīng)力水平級數(shù);d為材料常數(shù),當(dāng)缺少實驗數(shù)據(jù)時,可取d≈0.85m,其中m為材料p-S-N曲線的指數(shù),即m=-bp。則:

該飛剪機(jī)是20世紀(jì)70年代從國外引進(jìn)的設(shè)備,其實際使用壽命約為35 a,按M iner修正法則結(jié)合Corten-Dolan疲勞累積損傷理論計算,該機(jī)架在目前工作負(fù)荷下的疲勞壽命分別為38.9、33.7 a,理論計算的疲勞壽命與實際使用壽命基本一致。根據(jù)現(xiàn)場裂紋擴(kuò)展形態(tài),可確定該機(jī)架產(chǎn)生裂紋的主要原因是疲勞破壞。

4 機(jī)架改進(jìn)方案

從有限元仿真和現(xiàn)場破壞情況來看,機(jī)架底座部位工藝孔是整個機(jī)架的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和有限元分析的計算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)工藝孔附近存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此減小工藝孔過渡圓角處的應(yīng)力集中能有效延長機(jī)架的疲勞壽命,于是考慮在減小工藝孔尺寸和增加工藝孔倒圓角方面進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 機(jī)架工藝孔尺寸的改進(jìn)

圖8為機(jī)架工藝孔尺寸改進(jìn)方案示意圖。在滿足工藝要求的前提下,將機(jī)架立柱工藝孔的尺寸縮小,其高度由500 mm改為400 mm,其寬度由400 mm縮短為320 mm,同時將其過渡圓角的圓弧半徑由10 mm增大至15 mm?，F(xiàn)場改進(jìn)措施如下:①將機(jī)架工藝孔附近的裂紋進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù);②制作數(shù)塊改進(jìn)后的工藝孔尺寸的鋼板,將機(jī)架工藝孔外側(cè)平面打磨平整后,將鋼板貼在機(jī)架工藝孔處實施堆焊,圖9為機(jī)架工藝孔改進(jìn)后的示意圖。

圖8 機(jī)架工藝孔尺寸(mm)改進(jìn)方案示意圖Fig.8 Improvement of the fabrication hole’s size

4.2 機(jī)架改進(jìn)方案的疲勞壽命估算

由有限元計算得到機(jī)架工藝孔改進(jìn)后機(jī)架危險部位的最大應(yīng)力值為34.1 M Pa,同理作出機(jī)架工藝孔改進(jìn)后其危險部位的對稱循環(huán)應(yīng)力譜(r=-1),如圖10所示。

圖9 改進(jìn)后機(jī)架工藝孔示意圖Fig.9 Diagram of the improved fabrication hole

圖10 改進(jìn)方案危險部位的對稱循環(huán)應(yīng)力譜圖Fig.10 Symmetric circular stress spectrogram of dangerous area after the improvement

對機(jī)架工藝孔的改進(jìn)方案進(jìn)行重復(fù)疲勞設(shè)計,按修正Miner法則并結(jié)合Corten-Dolan損傷理論公式進(jìn)行估算,得到機(jī)架改進(jìn)后的疲勞壽命分別為81.4、75.1 a,滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)的設(shè)計要求。

5 結(jié)論

(1)采用現(xiàn)場實測方法得到機(jī)架載荷譜,它能真實地反映機(jī)架的載荷情況,為機(jī)架疲勞分析提供了可靠的依據(jù)。

(2)對機(jī)架進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測時,應(yīng)計及低于疲勞極限的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)對飛剪機(jī)架裂紋發(fā)展的影響,并用修正的M iner法則結(jié)合Co rten-Dolan損傷理論進(jìn)行疲勞壽命計算。

(3)按改進(jìn)后的方案參數(shù)重新計算飛剪機(jī)架的疲勞破壞,表明該方案能有效地延長飛剪機(jī)架的使用壽命。

[1] 鄒家祥.軋鋼機(jī)械[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000:53-55.

[2] 徐灝.機(jī)械設(shè)計手冊第二分冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社1992:34-40.

[3] 劉安中,李友榮.軋機(jī)主傳動萬向接軸隨機(jī)疲勞設(shè)計[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,31(1):32-36.

[4] Miner M A.Cumulative damage in fatigue[J].App l Mech,1945,12(3):A 159-A 164.

[5] 冶金工業(yè)部有色金屬加工設(shè)計研究院.板帶車間機(jī)械設(shè)備設(shè)計(上冊)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1983:40-50.

[6] 陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2002:70-80.

[7] 黃慶學(xué),肖宏,孫斌煜.軋鋼機(jī)械設(shè)計[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007:104-105.