宿 默 仲梁維 陳俊林

動顎焊接接頭的疲勞可靠性分析

宿 默 仲梁維 陳俊林

(上海理工大學 機械學院 上海 200093)

介紹了運用有限元分析軟件Solidworks 2009對新型顎式破碎機的焊接動顎體進行有限元分析。分析結(jié)果表明，運用有限元方法可以得出不同焊縫寬度情況下的應力結(jié)果，通過對焊縫疲勞壽命的計算，大大提高了破碎機的性能，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，避免了了顎式破碎機動顎體焊縫內(nèi)的較多缺陷，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

動顎體 焊縫 顎式破碎機 有限元

顎式破碎機廣泛應用于礦山、冶煉、建材、公路、鐵路、水利等工程領域[1]。其中復擺顎式破碎機因具有性能良好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，在中小型系列破碎機中占有較大比例，并有不斷向大型化發(fā)展的趨勢。從20世紀60－90年代開始，國外便開始利用計算機技術對顎式破碎機機構(gòu)、腔型及磨損進行仿真分析，大大提高了破碎機性能，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，而目前國內(nèi)顎式破碎機的設計仍偏重于經(jīng)驗方法[2]。

為緩解國家經(jīng)濟發(fā)展帶來的環(huán)保壓力，降低破碎機的生產(chǎn)成本，滿足移動式破碎篩分站對顎式破碎機外形尺寸的要求，經(jīng)過技術人員的努力，對傳統(tǒng)鑄鋼顎式破碎機進行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，設計出了改進型的焊接機架—顎式破碎機。該破碎機具有結(jié)構(gòu)更簡單、生產(chǎn)效率更高、制造周期更短、生產(chǎn)成本更低、外形更美觀及制造過程更環(huán)保等優(yōu)點，而影響其性能的一個重要因素就是焊縫質(zhì)量。

板材的焊縫類型有許多種，典型的焊縫區(qū)域主要包括熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫和母材，如圖1所示。現(xiàn)代焊接技術和高強度焊絲的應用使焊接接頭的靜強度可以達到母材的靜強度。但是由于在焊接過程中高溫的影響，使焊接區(qū)域的熱影響區(qū)和熔合區(qū)產(chǎn)生了焊接殘余應力，對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響較大，因此焊接接頭的疲勞強度低于其連接母材的疲勞強度。在工作過程中，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度取決于焊接接頭的抗疲勞性能。另據(jù)資料統(tǒng)計，在金屬結(jié)構(gòu)中，因疲勞而失效的約占80%～90%，而其中約70%～80%是由焊接件的疲勞失效造成的[3]。

焊縫缺陷的力學描述通常分為三類，第一類是幾何形狀缺陷，包括焊接錯邊和撅嘴等；第二類是平面缺陷，包括裂紋、未熔合、未焊透等焊接缺陷；第三類是非平面缺陷，包括氣孔、夾雜等體積缺陷和壁厚局部減薄等。在顎式破碎機動顎體焊縫內(nèi)發(fā)現(xiàn)較多的焊接缺陷，而且多為復合型缺陷。

圖1 焊縫區(qū)域

下面以某路橋機械設備有限公司型號為PE-1200X1500的顎式破碎機為研究對象，利用Solidworks 2009 Simulation軟件對在不同焊縫寬度情況下的動顎進行靜強度計算和疲勞分析。

1 復擺顎式破碎機機構(gòu)模型

復擺顎式破碎機主要由偏心軸、動顎、肘板和機架組成。如圖2所示，以曲柄轉(zhuǎn)軸為原點，軸垂直向下，軸水平向左建立平面直角坐標系。在機構(gòu)簡圖中，為曲柄，為搖桿，在破碎機中分別對應偏心軸和肘板；為動顎，為定顎，與組成破碎腔，由動顎(連桿)往復擺動實現(xiàn)破碎機的功能[4]。

圖2 復擺顎式破碎機機構(gòu)示意圖

動顎懸掛在偏心軸上，偏心軸由電動機驅(qū)動[5]。動顎板和定顎板之間的空間形成破碎腔，動顎在偏心軸的帶動下作復雜的平面擺動運動，動顎板利用螺栓固定在動顎上隨動顎進行復雜的平面運動。

顎式破碎機的動顎體是破碎機中重量較大的零件，結(jié)構(gòu)復雜，主要由動顎齒板座、邊板、軸管等零件焊接而成，如圖3所示。承受了破碎機工作時由推力板和物料產(chǎn)生的強大擠壓力，受力情況較為復雜。由于動顎板所受壓力由動顎板擠壓物料的運動引起，因此動顎板的運動成為影響顎板受力的關鍵因素之一[6]。

圖3 動顎體

2 焊接構(gòu)件疲勞分析

2.1 有限元模型及靜強度計算

由于動顎上的工作阻力即破碎力是從零變到最大，再從最大變到零，最大值發(fā)生在偏心軸轉(zhuǎn)角為160°時。從進料口向排料口方向，破碎力是隨破碎腔的高度而變化的，因此，顎式破碎機在一個工作循環(huán)中，破碎力可看作為脈動循環(huán)載荷，故將此載荷分成五段恒定載荷，其數(shù)值就是此破碎力的最大值[7]。

破碎力的計算方法：

max=0.1(1)

式(1)中，為破碎腔的高度，cm；為破碎腔的長度，cm；為襯板單位面積上的平均壓力，MPa。

由以上公式可以算出型號為PE-1200X150破碎機的最大破碎力為9 000 kN。

一要拓展融合內(nèi)涵。在把握經(jīng)濟社會快速發(fā)展契機，實現(xiàn)人民防空“戰(zhàn)時能力強”的基礎上，更好地發(fā)揮人防建設對經(jīng)濟社會發(fā)展的推動和促進作用，更大限度地體現(xiàn)“平時作為大”。充分發(fā)掘人民防空自身潛力，利用人民防空組織指揮、防護工程、通信保障、專業(yè)力量體系完善的優(yōu)勢，積極主動融入城市應急體系，充分發(fā)揮人民防空平臺作用，在節(jié)約資源、改善環(huán)境、完善城市功能、提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺等方面提供服務。

采用Solidworks 2009 Simulation對焊接動顎的7處焊縫在不同狀況下的受力狀況進行分析，如圖4所示。動顎體的鋼筒材料為ZG270-500，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，其余都為Q235A，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.33。采用三維實體單元進行網(wǎng)格劃分，同時考慮到動顎結(jié)構(gòu)比較復雜，需對局部區(qū)域網(wǎng)格進行加密處理，得到動顎體有限元模型，如圖5所示。

圖4 動顎焊縫

圖5 動顎體有限元模型

通過對不同鋼板和肋板、鋼管和鋼板、鋼管和肋板之間的焊縫按不同的5種尺寸進行分析，將焊縫缺陷簡化為對焊縫寬度的評價，得到不同情況下的應力結(jié)果。焊縫尺寸如圖6所示，應力結(jié)果見表1。

圖6 焊縫尺寸

表1 焊縫寬度與最大應力關系表

編號焊縫寬度H/mm焊縫寬度L/mm最大miss應力/MPa 12534180.5 22738176.2 32942171.1 43146166.9 53350161.7

從表1中可以看出，適當?shù)卦龃蠛缚p寬度將有利于降低等效應力，提高等效應變，減少屈服區(qū)域。焊縫寬度是影響焊縫質(zhì)量的重要因素之一。在金屬焊接過程中，焊縫過寬、焊角尺寸過大，不但使焊接接頭受熱程度嚴重，引起焊縫晶粒粗大，塑性、韌性下降，而且浪費材料，增加成本；反之，焊縫過窄、焊角尺寸過小，母材與焊縫之間可能引起應力集中，同時還容易使焊縫產(chǎn)生咬邊、裂紋等缺陷，影響接頭強度，因此正確確定焊縫寬度對于保證焊接質(zhì)量十分關鍵。

2.2 焊縫疲勞壽命計算

疲勞損傷的定義是受損物體在交變載荷作用下價值或用途減小。其物理解釋通常是將損傷概念與失去完整性相聯(lián)系，如形成微觀裂紋、物理性能下降等[8]。

材料抗疲勞能力的主要指標之一是材料的疲勞壽命，如果將不同疲勞強度用圖形來表示，就可以得到材料的疲勞曲線。疲勞曲線是表示應力范圍(或最大應力、應力幅)與疲勞壽命之間關系的曲線，簡稱S-N曲線。疲勞壽命計算還需要載荷的變化歷程和材料性能參數(shù)。載荷變化歷程采用標準的正弦時間曲線與應力幅結(jié)合作用在焊接構(gòu)件上，材料性能參數(shù)采用英國標準BS7608進行鋼材或鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的疲勞分析。在ANSYS的高級疲勞包FE-SAFE中查得Q235曲線值，見表2。

表2 Q235的S-N曲線值

編號循環(huán)次數(shù)交變應力/MPa 12 000441 210 000262 320 000214 4100 000138 5200 000114 61 000 00086.2

從顎式破碎機的工況來看，其應力循環(huán)比為0。在Simulation進行疲勞分析時，插值求得其破壞循環(huán)數(shù)。圖7為焊縫寬度為27 mm×38 mm時疲勞壽命云圖。焊接構(gòu)件的加強板與鋼板連接處，由于受到拉應力和壓應力的反復作用，因此損傷最大、壽命最短。在不同焊縫寬度條件下，焊縫越寬損傷程度越低，壽命越長。

圖7 計算結(jié)果

3 結(jié)語

[1] 許占民,艾爾肯·艾海提,王國博,等.BS105型顎式破碎機動顎支架有限元分析[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新2010(1):100-101.

[2] 郎寶賢.顎式破碎機現(xiàn)狀與發(fā)展[J].礦山機械,2004,33(1):9-10.

[3] 郭衛(wèi),佟占勝.焊接構(gòu)件虛擬疲勞仿真分析[J].重型機械,2008(3):52-55.

[4] 張珂,劉佳男,楊昌明.復擺顎式破碎機運動仿真及有限元分析[J].煤礦機械,2008(10):69-71.

[5] 曹進喜,容幸福,楊世春.顎式破碎機顎板受力分布模型[J].儀器儀表學報,2006,27(12):66-81.

[6] 嚴凡濤,饒綺麟,楊樹亮.基于均勻化的動顎體結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化設計[J].礦冶,2009,18(3):84-87.

[7] 陳紅江.ADAMS在顎式破碎機優(yōu)化仿真設計中的應用[J].CAD／CAM與制造業(yè)信息化,2005(11):40-43.

[8] 余壽文,馮西橋.損傷力學[M].北京:清華大學出版社,1997.