韓剛華

(華電重工股份有限公司，北京 100070)

承受大載荷滾筒的高周疲勞壽命分析

韓剛華

(華電重工股份有限公司，北京 100070)

承受大載荷的帶式輸送機滾筒，筒體上焊縫疲勞損傷破壞是滾筒最主要的失效形式。論述了高周疲勞方法在承受大載荷滾筒疲勞壽命分析中的應用情況，并結合工程實踐進行了闡述，供有關工程技術人員在設計分析時參考。

輸送系統(tǒng)；帶式輸送機；滾筒；高周疲勞；壽命分析；疲勞分析

0 引言

隨著帶式輸送機不斷向大運量、高帶速、長距離方向發(fā)展，皮帶機滾筒轉速及所受皮帶機合張力、扭矩等載荷越來越大。尤其要重視合力在500 kN以上大載荷滾筒的設計和制作工藝等細節(jié)問題，防止?jié)L筒筒體、軸發(fā)生斷裂而影響生產，甚至撕裂皮帶等惡性事故的發(fā)生，提高輸送系統(tǒng)的利用率，降低維護成本和工人的勞動強度。

1 滾筒失效的理論分析

根據(jù)長期工程實踐統(tǒng)計，滾筒失效形式主要有如下幾種。

(1)鑄膠龜裂破壞等?？梢圆扇《舞T膠方法修復滾筒。

(2)滾筒軸承破壞。由于軸承具有可換性，而且當滾筒軸承損壞后，也容易修復，整個滾筒還不至于完全報廢。

(3)滾筒軸斷裂。由于軸設計理論比較完善，而且隨著材料性能和加工精度的提高，軸的疲勞斷裂造成滾筒失效事故概率越來越小。

(4)滾筒上焊縫破壞。目前大帶寬、承受大載荷的滾筒多為重型鑄焊結構，眾所周知，滾筒筒體接盤上的焊縫在焊接、冷卻過程中存在著焊接殘余應力，焊縫天然的缺陷又會產生應力集中，而在滾筒運轉過程中，滾筒筒體接盤上的焊縫承受交變載荷作用，從而造成焊縫疲勞破壞。在華電重工股份有限公司統(tǒng)計的滾筒失效數(shù)據(jù)中，滾筒失效形式中以滾筒筒體上焊縫損傷破壞最為多見，占整個統(tǒng)計數(shù)據(jù)的90%以上。

2 高周疲勞分析理論

疲勞分析理論上，把循環(huán)次數(shù)大于500萬次的疲勞問題統(tǒng)歸為高周疲勞問題[1]。從皮帶機的運行狀況來看，皮帶機滾筒處于典型的高周疲勞破壞狀況(應力低，應力循環(huán)次數(shù)高)。例如：滾筒直徑?1 000 mm，帶速v=3.3 m/s，滾筒旋轉頻率

(1)

若帶式輸送機每天工作16 h，每年工作300 d，則滾筒年旋轉次數(shù)為300×16×3 600×1.05 =1.8×107。

中國尚無高周疲勞破壞的試驗數(shù)據(jù)，高周疲勞壽命計算可參照日本有關焊縫疲勞S-N曲線數(shù)據(jù)(JIS B8821—2004[2])。

ΔσmNi=C0，

(2)

ΔτmNi=D0，

(3)

式中：Δσ為正應力的變化幅值；Δτ為剪應力的變化幅值；m為S-N曲線上斜率，循環(huán)次數(shù)N∈(5×106，1×108)時，m=5[2]；C0，D0為常數(shù)，見文獻[2]。

對于變幅載荷下的疲勞破壞，采用通行的線性疲勞累積損傷理論(Miner理論)對不同頻率和幅值的載荷所造成的損傷進行累積。

3 滾筒高周疲勞壽命分析步驟

3.1 滾筒外部邊界條件及載荷譜

確定滾筒的外部邊界條件(力、扭矩、圍包角)、載荷譜(見表1)。

3.2 根據(jù)滾筒焊縫形式確定焊縫等級

滾筒上的焊縫有環(huán)形焊縫、縱向焊縫、角焊縫等，形式較多，搭接單面焊、對接單面焊、對接雙面焊等形式對應的焊縫等級不同，可對應查文獻[2]表16中圖例確定焊縫的等級。

由于滾筒屬于短薄壁圓筒結構，故單獨用梁公式計算焊縫得出的彎曲應力是不合適的。建立滾筒的三維模型，然后導入大型結構分析軟件ANSYS，選取二次實體單元Solid185進行六面體單元劃分網格，為了解焊縫處應力，對焊縫處采用細化網格處理。根據(jù)滾筒受力的邊界條件，對滾筒進行有限元分析，得出滾筒的應力[3-4]。

表1 滾筒運行工況與載荷譜

由于滾筒圓周對稱性，同一時刻焊縫一圈上出現(xiàn)的應力值即為旋轉一圈時焊縫同一點出現(xiàn)的應力；提取滾筒焊縫環(huán)上最大應力σmax和最小應力σmin，得到焊縫的正應力幅Δσ=σmax-σmin，得到焊縫的剪應力幅Δτ=τmax-τmin。依此方法可以分別得到x向、y向、z向正應力的應力幅，以及xy面、yz面、xz面上剪應力的應力幅。

對稱循環(huán)應力對焊縫的損傷最大，當焊縫壓應力絕對值大于拉應力絕對值時，應乘以應力幅修正系數(shù)CR，而

(4)

當板厚超過25 mm時，焊縫的疲勞強度還有所降低，必須乘以板厚修正系數(shù)Ct，而

(5)

式中：t為焊縫處板厚，mm。

修正后的正應力幅

Δσ′=CRCt(σmax-σmin) 。

(6)

修正后的剪應力幅

Δτ′=CRCt(τmax-τmin) 。

(7)

如前文所述，滾筒可能受多種工況下載荷的作用，對于不同工況，原則上都必須經過有限元分析，得出每一種工況下所關注焊縫的正應力幅、剪應力幅。若某種工況所占的時間分布較小，分析認為對結果影響不大的情況下，可以忽略不計，從而減少有限元分析的工作量。

3.3 計算焊縫的損傷

分別計算出各種工況下焊縫的正應力幅、剪應力幅之后，根據(jù)式(2)、式(3)分別計算各種工況下各向正應力幅、剪應力幅對應的許用循環(huán)次數(shù)Nσi，Nτi。

(8)

(9)

許用循環(huán)次數(shù)的倒數(shù)即為損傷度，即

再采用Miner線性疲勞累積損傷理論，對焊縫處正應力、剪應力產生的損傷度進行線性疊加，即可得到第i種工況下滾筒旋轉一次累計損傷度

(10)

3.4 計算滾筒的高周疲勞壽命

各種工況下的損傷度乘以該工況下的時間分布之和即為總的損傷度∑D，總損傷度的倒數(shù)即為該條焊縫的疲勞壽命N。

(11)

(12)

一般情況下，滾筒上存在多條焊縫，應對每條焊縫進行疲勞壽命核算，壽命最短的為滾筒的壽命。

4 計算實例

如圖1(圖中I為焊縫)、圖2所示鑄焊結構的滾筒，滾筒上焊縫有筒體的縱向焊縫、筒體與接盤的環(huán)形焊縫[5]。危險焊縫為筒體與接盤的環(huán)形搭接焊縫。下文僅以環(huán)形焊縫為例，進行疲勞壽命分析。

圖1 滾筒

圖2 搭接焊縫放大圖

(1)確定滾筒的運行工況，受力的載荷譜。滾筒正常滿載受力為481.5 kN，空載受力為440.8 kN。滿載運行時間占92%，空載運行時間占8%，皮帶滿載啟動和空載啟動各占1%。

(2)根據(jù)滾筒焊縫的形式，確定焊縫等級。環(huán)形搭接焊縫與文獻[2]表格16中No.911焊縫類似，正應力等級為63，剪切應力等級為80。

正應力焊縫等級為63，N∈(5×106，1×108)時，C0=1.078×1015[2]，剪應力焊縫等級為80時，D0=1.985×1015[2]。等級為63的正應力焊縫，N=1×108次時，能產生疲勞損傷的極限正應力變化幅值為Δσ=25.5 MPa[2]，等級為80剪應力焊縫，極限剪應力變化幅值為Δτ=28.79 MPa[2]，故Δσ<25.5 MPa或Δτ<28.79 MPa時不計疲勞損傷。

(3)計算焊縫的損傷度。計算各工況下滾筒焊縫的疲勞損傷度，見表2、表3。

表2 正常工作時滾筒受力481.5 kN，焊高15.5 mm焊縫截面應力情況 MPa

表3 各工況下滾筒焊縫的疲勞損傷度

根據(jù)式(11)計算得總的損傷度

8%×6.963 56×10-8+1%×

2.041 46×10-7+1%×

1.455 30×10-7=1.066 35×10-7。

(13)

(4)計算疲勞壽命。根據(jù)式(12)預測焊縫的疲勞壽命

9.378×106。

(14)

從分析上看，焊縫是在交變的z向正應力和xz向、yz向剪應力共同作用下，焊縫裂紋逐步擴展，進而完全破壞焊縫。根據(jù)港口的設備利用率，預測滾筒壽命約為8個月，實際上滾筒在運行1年多后，接盤與筒皮焊縫完全開裂,滾筒報廢，從實際上驗證了理論分析結果。

5 結論

本文所闡述的內容可供有關工程技術人員在承受大載荷滾筒設計分析時參考，但其準確、合理性有待實踐檢驗和進一步研究，從而加以完善和修正。

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[2]起重機鋼結構規(guī)范：JIS B8821—2004[S].

[3]劉天軍，韓剛華，盧嘉樹，等.下運帶式輸送機滾筒開裂事故分析[J].起重運輸機械，2012(12)：90-92.

[4]崔志遠，韓剛.基于ANSYS的傳動滾筒結構參數(shù)化建模[J].起重運輸機械，2007(5)：55-57.

[5]北京起重運輸機械研究所.DTII(A)型帶式輸送機設計手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

TH 222

A

1674-1951(2017)12-0008-03

2017-07-10；

2017-11-20

(本文責編：白銀雷)

韓剛華(1977—)，男，湖北蘄春人，高級工程師，工學碩士，從事散料輸送機械及系統(tǒng)設計與研究工作(E-mail:hangh@chec.com.cn)。