孫文濤

（太原重工股份有限公司軋鋼分公司，山西 太原 030024）

引言

矯直機(jī)本體由上輥調(diào)整裝置、上工作輥輥系、下工作輥輥系、下輥調(diào)整裝置和機(jī)架裝配等組成。上輥系三輥擁有液壓快開和安全保護(hù)機(jī)構(gòu)（液壓），用于實現(xiàn)矯直輥快速的升降，可有效防止矯直輥損傷鋼管的頭部，同時也保護(hù)了設(shè)備的安全。液壓快開與保護(hù)機(jī)構(gòu)的液壓缸與機(jī)架上橫梁的連接螺栓使用液壓拉伸器進(jìn)行預(yù)緊。

出口印度矯直機(jī)在使用時，尚在質(zhì)保期間內(nèi)，快開機(jī)構(gòu)主缸工作過程中出現(xiàn)液壓油自油缸滲漏現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)，主缸出現(xiàn)裂紋情況，沿主缸內(nèi)部高壓腔一周有裂紋出現(xiàn)。如圖1所示。

圖1 快開機(jī)構(gòu)裂紋照片

初步原因分析，矯直機(jī)該處主缸頻繁工作在中高壓（16MPa）條件下，快開機(jī)構(gòu)升降過程中，油缸承受往復(fù)運動載荷，可能存在材料疲勞極限不能滿足要求，致使油缸出現(xiàn)裂紋甚至斷裂；油缸高壓腔保壓時靜態(tài)強(qiáng)度應(yīng)力集中；油缸材料含碳量及其他化學(xué)成分不符合標(biāo)準(zhǔn)；油缸加工工藝未滿足設(shè)計要求等情況。

1 矯直機(jī)主缸液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

液壓系統(tǒng)用來完成矯直機(jī)入口上料扣瓦的開合、保護(hù)導(dǎo)衛(wèi)的開合、入口輥道的升降、入口導(dǎo)衛(wèi)開合、上下輥的平衡鎖緊、矯直輥快開、換輥、矯直機(jī)出口推料缸的動作、下料輥道的升降、鏈?zhǔn)嚼浯驳纳舷铝系裙に噭幼鞯囊螅鐖D2所示。

圖2 主缸液壓系統(tǒng)原理圖

有關(guān)液壓系統(tǒng)動力源，由于采用的液壓快開機(jī)構(gòu)瞬時大流量的要求，液壓系統(tǒng)采用油泵加蓄能器動力源供油方式。蓄能器可瞬時提供大量的油，不僅滿足了系統(tǒng)性能的要求，也大大減少了油泵電機(jī)的功率，達(dá)到了節(jié)能、減少耗電量和降低成本之目的。

有關(guān)控制系統(tǒng)，根據(jù)快開系統(tǒng)本身高壓和大流量的特點，采用了插裝閥集成系統(tǒng)，流阻損失小，流量大，一閥多功能。不僅能夠控制快開油缸的起停，也能夠調(diào)節(jié)通過的流量，因此減少了液壓元件的種類并且簡化了系統(tǒng)。此外，插裝閥動作速度快，密封性好，泄露少，可以完全滿足快開缸的工藝要求。

液壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 主缸液壓系統(tǒng)參數(shù)表

液壓系統(tǒng)包括液壓泵站、液壓控制閥臺以及中間管道。

2 主缸設(shè)計靜強(qiáng)度分析計算

2.1 材料性質(zhì)

上輥快開機(jī)構(gòu)中，上、下缸體采用的材料為45號鋼，柱塞采用的材料為42CrMo，其材料性質(zhì)與力學(xué)性能如表2。

表2 主缸設(shè)計材料的性質(zhì)與力學(xué)性能表

2.2 分析模型

1）有限元模型匯總。

采用NX Nastran中的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，模型單元總數(shù)為223 552，節(jié)點數(shù)為49 808。其中，上缸體中圓角處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，整個圓弧上分為3層網(wǎng)格，如圖3所示。

2）載荷工況。

圖3 上輥快開機(jī)構(gòu)有限元模型

圖4 圓角局部網(wǎng)格細(xì)化

圖4中所示為快開機(jī)構(gòu)計算模型（1／2），靜態(tài)強(qiáng)度分析時，整個腔內(nèi)承受的壓強(qiáng)為16MPa。該快開機(jī)構(gòu)通過16根螺栓與梁固定，因此將下缸體中螺栓所在的環(huán)形面進(jìn)行約束。同時將上、下缸體間接觸面中螺栓所在的環(huán)形面進(jìn)行面對面粘連（Gluing），其余上、下缸體以及柱塞之間的接觸面均采用面對面接觸（Contact）。

分析時，未考慮柱塞與下方部件的連接的影響，未考慮密封環(huán)等照成的影響。

2.3 分析結(jié)果

1）原始圓角半徑。

圖5給出的是快開機(jī)構(gòu)在該工況下的應(yīng)力分布云圖，從圖5中可以看出，最大應(yīng)力位于上缸體圓角過渡的位置，大小為284.79MPa，并且應(yīng)力較大的區(qū)域位于圓角的中間區(qū)域。

圖5 上輥快開機(jī)構(gòu)計算模型

下頁圖6給出的是快開機(jī)構(gòu)在該工況下的位移云圖。

2）修改圓角半徑。

將上缸體圓角半徑由5mm更改為10mm后，按照原載荷工況進(jìn)行加載，經(jīng)過計算，上缸體的應(yīng)力云圖如下頁圖7所示。從圖7中可以看出，上缸體圓角處應(yīng)力最大值為229.39MPa。

3 實際裂紋原因分析

通過對上缸體裂紋部位觀察及分析，上缸體裂紋根部加工倒角不到位（僅有2mm倒角，與圖紙不符，如下頁圖8所示）裂紋自快開機(jī)構(gòu)高壓腔內(nèi)根部處向外斷裂。

圖6 上輥快開機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖7 上輥快開機(jī)構(gòu)位移云圖

圖8 更改圓角半徑后上缸體的應(yīng)力分布云圖

4 裂紋預(yù)防措施

通過對快開機(jī)構(gòu)上缸體裂紋的靜強(qiáng)度分析及現(xiàn)場實際情況分析。上缸體根部處圓角為缸體受集中應(yīng)力最大處，在使用中建議從以下兩個方面進(jìn)行預(yù)防：

1）增大缸體倒角，原設(shè)計為5mm，可適度增大至10mm，增大后缸體最大應(yīng)力減小20%左右；

2）嚴(yán)格控制缸體加工工藝，根據(jù)圖紙尺寸對缸體進(jìn)行尺寸合格檢驗并在設(shè)備出廠前進(jìn)行保壓試驗。

5 結(jié)語

通過對上輥快開機(jī)構(gòu)上缸體裂紋進(jìn)行靜強(qiáng)度分析及實際裂紋原因分析，可以發(fā)現(xiàn)，在額定的載荷工況下，上缸體圓角區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值相對較高，為284MPa，但依舊低于材料的屈服強(qiáng)度345MPa，因此該缸體具有較強(qiáng)的設(shè)計強(qiáng)度。若進(jìn)一步優(yōu)化該缸體，可將圓角半徑適當(dāng)增大。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，與圓角半徑5mm相比，圓角半徑為10mm時缸體的最大應(yīng)力減小20%左右。在生產(chǎn)中建議以后使用較大圓角半徑缸體以有效預(yù)防該種矯直機(jī)快開機(jī)構(gòu)故障。