韋峰山康建喜

(1佛山市恒力泰機械有限公司 廣東佛山 528031) (2咸陽陶瓷研究設計院 陜西咸陽 712000)

陶瓷液壓壓磚機立柱結構的疲勞分析與研究

韋峰山1康建喜2

(1佛山市恒力泰機械有限公司 廣東佛山 528031) (2咸陽陶瓷研究設計院 陜西咸陽 712000)

根據(jù)陶瓷液壓壓磚機特有的高周期疲勞工況特點,提出并分析了梁柱型壓磚機可以改善和提高立柱的抗疲勞性能的途徑和方法,從而有效地提高壓磚機機架的可靠性和使用壽命。

陶瓷壓磚機 立柱結構 疲勞研究

前言

陶瓷液壓壓磚機由于長期處于滿負荷、晝夜不停的連續(xù)性運行的惡劣工況,故其主要的受力部件——機架必須具備超強的抗疲勞性能。這是陶瓷壓磚機區(qū)別于其它任何行業(yè)壓力機最主要的特征之一,也是當代陶瓷壓磚機為了進一步提高機架的可靠性和壽命,需要不斷研究和解決的主要課題之一。

立柱是壓磚機機架中最主要的受力件。梁柱型壓磚機的立柱主要有簡式立柱結構和復式立柱結構兩種形式。簡式立柱結構通常適用于中小型壓磚機,立柱的中段上、下設有定位臺階用于支承上、下梁,立柱預緊要兩端分別預緊,這種立柱的中段承受較大的脈動交變拉應力。而復式立柱結構,即拉桿套筒結構則更適合于大、中型梁柱結構的壓磚機,套筒用作支承上、下梁,而立柱僅作受拉件,并且可以全長預緊,故復式立柱結構用于陶瓷壓磚機更具優(yōu)越性。

圖1是金屬材料的疲勞S-N曲線圖,根據(jù)疲勞設計的基本理論:當工作次數(shù)<103時,一般按靜強度設計計算;當工作次數(shù)為103～107時,要進行疲勞強度校核;當工作次數(shù)>107時按無限壽命設計。由于陶瓷壓磚機的工作頻率高,以及采用連續(xù)運行的工作制式,通常情況下日工作循環(huán)次數(shù)都在1萬～2萬次,小型壓磚機甚至超過2萬次。若按此計算大約2～3年時間其工作循環(huán)次數(shù)總數(shù)即達到和超過107次,因此,陶瓷液壓壓磚機立柱結構的設計應當按無限壽命設計進行校核。

按無限壽命設計時,其安全系數(shù)要高于疲勞校核時的安全系數(shù),校核時要以立柱的最薄弱、最危險區(qū)域為主,例如立柱的臺階應力集中區(qū)域,受力較大的螺紋牙齒根部等。當然,具體取值還要根據(jù)立柱的材質,截面尺寸,毛坯及熱處理情況,疲勞試驗的數(shù)值,企業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)等綜合確定。

由于陶瓷壓磚機所處的工況惡劣,即晝夜不停的滿負荷連續(xù)性生產(chǎn),故不可能做到真正的無限壽命,這只是一個相對的概念,也就是說陶瓷壓磚機經(jīng)過多年使用后,出現(xiàn)斷立柱也是正常的疲勞損壞。據(jù)有關進口壓磚機的資料顯示,立柱的保用期限一般為5年,從實際使用情況看某些進口的優(yōu)秀品牌都能使用10年以上。隨著近年來國產(chǎn)壓磚機設計與制造技術的快速進步,國產(chǎn)優(yōu)秀壓磚機的立柱壽命得到較大幅度的提高,完全可以與世界先進壓磚機相媲美。

下面,筆者主要從盡可能的降低立柱工作時的應力幅值,最大限度地減少應力集中的危害以及材料和制造工藝等方面作出綜合性的分析論述。

圖1 金屬材料的疲勞S-N曲線

1 盡可能地降低立柱工作時的應力幅值

根據(jù)經(jīng)典疲勞理論原理,交變應力的幅值是影響疲勞強度的主要因素之一,應力的幅值越高,其安全系數(shù)越低,即疲勞壽命越短。因此,在設計中盡可能地降低立柱工作時的應力幅值是提高立柱抗疲勞性能的有效途徑之一。

圖2是復式立柱結構簡圖,由于上、下梁的剛度遠大于套筒的剛度,故套筒的剛度是決定受壓件總剛度的主要因素。因此選擇合理的立柱與套筒的剛度比,便可以有效地降低立柱工作時交變載荷的應力幅值。

圖3是復式立柱結構的受力及變形圖。當機架處于靜態(tài)時,立柱與套筒之間存在預緊力P0,立柱的伸長變形為λ1,套筒的壓縮變形為λ2。當機架承受工作載荷P后,立柱受力上升為P1,套筒受力下降至P2,亦即立柱的受力變化為ΔP1,套筒的受力變化為ΔP2,P2為殘余預緊力,設計時應確保P2>0,λp為立柱加載與卸載之間套筒長度的變化量。

設立柱的長度為L1,套筒的長度為L2,立柱與套筒材料的彈性模量分別為E1和E2,立柱與套筒的面積分別為A1和A2。根據(jù)虎克定律,立柱的剛度為:

顯然從式⑤可以看出,當立柱與套筒的剛度比C變小時,立柱的交變載荷ΔP1即減小,亦即立柱承受的交變應力的幅值σα=ΔP1/2A1也隨之減小。

根據(jù)陶瓷壓磚機的高周疲勞工況特點,結構設計時應盡可能將立柱與套筒的剛度比C值取得小些,例如通過適當增大套筒的截面積,盡量降低套筒的高度來降低C值。根據(jù)經(jīng)驗C值一般較合理的取值范圍應為0.3～0.5,這樣立柱的交變載荷ΔP1=23%～33%P(工作載荷),例如某些進口的優(yōu)秀壓磚機的C值經(jīng)估算為0.3～0.35,這種立柱結構則更適合于高周疲勞工況的陶瓷壓磚機。反之,當立柱與套筒的剛度比取得較大時,例如當C≥1時,立柱的交變載荷即刻上升為ΔP1≥50%P(工作載荷),這對于高周疲勞工況很不利。另一方面,由于套筒的高度決定了機架的封閉內高度,因此套筒長度的變化量λp是決定機架剛度的主要因素,λp越大,機架剛度越低。從式(5)也可以看出,λp與C成正比關系,故當C值較大時,機架剛度會大大降低。這種立柱結構不適合于陶瓷壓磚機,其原因是陶瓷壓磚機的壓制行程小,頻率高,基本上是瞬間完成加壓,而過大的機架變形會使壓磚機的系統(tǒng)液壓能因補償機架伸長變形而造成浪費,也就不可能滿足其特有的工作頻率高,動作快的要求。至于某些行業(yè)的壓機由于工作的頻率很低,壓制時保壓的時間很長,甚至需要幾分鐘,故可以采用這種立柱結構,例如等靜壓壓機等。

簡式立柱結構由于上、下段要分別預緊,其預緊工藝復雜,但其預緊副的受力與變形相對簡單,受壓件上梁或下梁的剛度相對于受拉件立柱的剛度大很多,即拉壓剛度比更小,故ΔP1更小,對于疲勞工況更有利。但簡式立柱的中段由于無法施加預應力,故中段承受從零到最大的脈動交變載荷,校核時要用脈動循環(huán)疲勞極限來校核立柱的中段。

2 最大限度地減少應力集中的危害

對于陶瓷液壓壓磚機來說,解決應力集中問題從某種意義上來說比降低壓磚機工作時的應力幅值更重要。例如簡式立柱結構的中段盡管承受較大的脈動交變載荷,即工作時交變應力的幅值高,但卻基本不會從此處斷裂,這是因為壓磚機通常用此段兼作活動橫梁的導向,而采用磨削工藝,表面光滑,沒有任何應力集中現(xiàn)象,也就不可能產(chǎn)生裂紋。而簡式立柱結構的上、下兩端雖然預緊后交變應力的幅值較中段小很多,但卻在立柱臺階部位以及螺紋根部處常出現(xiàn)斷立柱現(xiàn)象。這足以說明解決立柱應力集中問題的重要性。

2.1 通過提高梁體的剛度來減少應力集中

壓磚機的上梁(橫梁)與下梁(底座)的彎曲變形會造成立柱內側螺紋根部應力集中,當梁體的變形過大時,通過螺母直接傳給立柱內側螺紋牙根,而立柱的牙根恰恰是薄弱區(qū)域,往往從此處產(chǎn)生疲勞裂紋并慢慢延伸和擴展直至斷裂。所以,結構設計時要嚴格控制梁體在滿載工作時的撓度,例如大型壓磚機的上梁(橫梁)和下梁(底座)的撓度一般不大于0.2mm/m,設計時還要更多地考慮梁體變形對立柱內側螺紋根部的不利影響,尤其對于寬體壓磚機更應該注意這一點。

立柱螺母的外徑大小也要根據(jù)梁體的變形來綜合考慮,當梁體的變形較大時,過大外徑的螺母會對立柱螺紋產(chǎn)生更大的危害,這可以從簡單的杠桿原理去理解。

2.2 采用特種結構的螺母來減少應力集中

隨著陶瓷行業(yè)壓磚機的大型化,大型梁體的彎曲變形也隨之加大。因此通過優(yōu)化設計來減少梁體的變形也是有限的,還要設法通過不同結構的螺母來獲得更理想的分散應力的效果,這樣才能較理想地解決立柱螺紋的應力集中問題。另一方面,普通平螺母結構的致命缺點是,前幾扣牙的受力非常不利,例如第一扣螺紋牙所承受的力約占總螺紋牙受力的15%～20%,這一缺點對于陶瓷壓磚機的重要的受力件立柱來說是非常致命的。

圖4、圖5、圖6是幾種典型的可用于陶瓷壓磚機的立柱螺母,可以有效地解決大型壓磚機的立柱受力較大的前幾扣螺紋牙齒根部的應力集中問題。

圖4是帶懸置圓臺螺母,通過將第一扣牙齒與約束面錯開的方法來分散前幾扣牙根的應力,經(jīng)過不斷的優(yōu)化,這種螺母將下部的圓臺變?yōu)殄F形,當螺母的外徑足夠大時,錐部還可以加長,并利用錐部的順應變形優(yōu)勢來降低立柱螺紋前幾扣牙根處的應力。

圖7 環(huán)槽扣牙結構螺母

圖5是環(huán)槽結構螺母,即將第一扣牙置于約束面的上方,并設有經(jīng)過優(yōu)化的環(huán)槽來降低前幾扣牙的應力。環(huán)槽可以優(yōu)化成多種形狀,例如有的進口壓磚機采用這種螺母,它的環(huán)槽結構采用圖7所示的形狀。

圖6是內斜結構螺母,利用倒小角度(通常5～10°)的方法來有效地減少前幾扣螺紋牙根處的應力。例如有些進口壓磚機就采用類似的方法,不同的是其小角度倒角不在螺母上,而是在立柱的外螺紋上。

2.3 從螺紋牙型、螺距以及牙根來考慮減少應力集中

目前,用于陶瓷壓磚機立柱的螺紋牙型主要有單線細牙三角形螺紋以及單線細牙鋸齒型螺紋兩種。無論采用哪一種牙型,其螺距大小以及牙根形狀和表面質量都非常重要。例如螺距過小時,牙齒的剪切應力及彎曲應力高,牙根圓角太小很難保證加工質量;螺距過大時,造成立柱牙根底徑減小,削弱了立柱受力時的有效面積。

考慮到陶瓷壓磚機的特殊工況以及受力特點,45°細牙鋸齒形螺紋更具有優(yōu)越性。其主要特點是:螺紋連接強度高,自鎖及防松性能好,牙齒的抗彎強度高,變形小,不易于燒牙等。例如國內的鍛壓行業(yè)壓機基本都采用這種牙型,而鍛壓行業(yè)壓機所面對的振動和偏載問題是陶瓷壓磚機無法比擬的,所以大型陶瓷壓磚機的立柱采用45°鋸齒型螺紋更具優(yōu)勢,某些進口壓磚機的立柱就采用此種螺紋牙型。

除此而外,適當增大螺距,例如把螺距從10調整到12,螺紋牙根的圓弧半徑就會隨之增大,這會起到非常有效的抗疲勞效果。如圖8所示,增大鋸齒形螺紋牙根的圓弧半徑R就如同在簡式立柱結構的立柱臺階處設置卸載區(qū)的道理一樣。如圖9所示,卸載區(qū)可以把因為立柱截面突變而造成的應力集中通過大圓角或者角形線過渡降低到最小。同樣,對于立柱螺紋牙根處,由于圓角相對地增大,也使牙根的應力集中現(xiàn)象得到明顯的改善。

3 從材料及制造工藝等方面提高立柱的抗疲勞性能

3.1 選擇合理的材料及熱處理工藝

根據(jù)陶瓷壓磚機的高周疲勞工況特點,選擇立柱材料時應該優(yōu)先考慮抗疲勞性能良好的合金結構鋼。例如40CrNiMo,35CrMo,34CrNi3Mo等,這些合金結構鋼的韌性和強度都大大好于碳素結構鋼。尤其淬透性好,淬透層深,可以獲得良好的調質組織,即高強度、高韌性、綜合機械性能好的回火索氏體,非常有利于提高立柱的疲勞強度?？紤]到立柱的拉伸預緊以及立柱承受附加彎曲時的順應變能力,故其調質硬度不能太高,一般HB為240～270。

例如40CrNiMo屬于標準牌號調質鋼中的優(yōu)質材料,一般鋼廠都有標準鋼錠,其特點是更適合于制作大型壓磚機的立柱,即使對于直徑大約350mm的截面尺寸,其淬透層深度也可以達到40mm左右,而35CrMo僅25mm左右,故35CrMo則更適合于用作中小型壓磚機的立柱。

3.2 提高立柱螺紋牙根區(qū)域的表面質量

根據(jù)經(jīng)典疲勞理論原理,表面系數(shù)與安全系數(shù)成正比,即表面越光滑疲勞強度越高,例如磨削加工和拋光的表面系數(shù)最高,精車次之,鑄鍛件毛面最差,故對于立柱的主要受力的螺紋段(背母段除外),要嚴格控制牙根圓弧處的表面粗糙度,不能有任何的不良刀痕,最好拋光。也可用專用滾刀滾壓受力較大的螺紋段的牙根圓弧部分,將牙根圓弧區(qū)域的刀痕和微觀缺陷壓光壓平,并產(chǎn)生表面壓應力層,從而有利于提高立柱的疲勞強度。

3.3 嚴格控制原材料及機械加工缺陷

由于陶瓷壓磚機立柱的特殊性和重要性,制造工藝要從毛坯鍛造開始到機械加工,都必須規(guī)定嚴格的工藝路線以及檢測措施,建立完善的鍛件驗收標準,探傷標準,探傷方法等。例如缺陷部位,缺陷大小,內部或外部,單個缺陷或密集型缺陷等這些都要根據(jù)相應的標準來嚴格執(zhí)行才能確保立柱的質量。

1 韋峰山,等.現(xiàn)代陶瓷液壓壓磚機主機結構的研究與發(fā)展方向.全國性建材科技期刊——陶瓷,2006(12):33～38

2 濮良貴,紀名剛.機械設計.北京:高等教育出版社, 2001

3 韋峰山,溫怡彰,葉松君.梁體結構優(yōu)化的恒力泰新一代寬體高效壓磚機.全國性建材科技期刊——陶瓷,2010(2):50～52

4 陳愛民.薩克米新型系列大噸位全自動液壓壓磚機液壓系統(tǒng)分析.全國性建材科技期刊——陶瓷,2007(1):40～43

5 馮冬清,謝宋和.模糊智能控制.北京:化學工業(yè)出版社,1998