胡新卓

（維美德（中國）有限公司，上海 201809）

0 引言

機(jī)床切削液是用來冷卻、潤(rùn)滑刀具和加工工件的工業(yè)用液體，能提高刀具的使用壽命，降低金屬加工過程中刀具和工件之間因高速摩擦產(chǎn)生的熱量和工件形變，直接影響機(jī)械加工精度。切削液具備良好的冷卻、潤(rùn)滑、防銹、除油清洗、防腐等功能。集中供液系統(tǒng)通過管道泵送切削液至各車床，但切削液分配管多次發(fā)生泄漏，泄漏位置均發(fā)生在分配管與封板的焊縫位置。

1 泄漏原因分析

1.1 供液系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題

查切削液集中處理單元完工資料，發(fā)現(xiàn)集中供液系統(tǒng)主管道并未配備合適的壓力泄放閥，主管道配備的是DN15 的壓力泄放閥門。系統(tǒng)啟動(dòng)后，任意一臺(tái)或幾臺(tái)機(jī)床同時(shí)停止加工后，管道系統(tǒng)內(nèi)部切削液瞬時(shí)壓力會(huì)急劇升高，壓力泄放閥門開啟后，因泄放面積太小，分配管瞬時(shí)壓力反復(fù)過載。通過長(zhǎng)時(shí)間觀察，正常工況下分配管瞬時(shí)表壓超過正常工作壓力的56%，超過設(shè)計(jì)壓力25%，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)25～30 s。

1.2 端頭封板結(jié)構(gòu)不合理

因供液系統(tǒng)資料不全，無法通過圖紙了解集中供液系統(tǒng)分配管與封板的詳細(xì)結(jié)構(gòu)及連結(jié)方式。通過拆除分配管，切開后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，分配管Φ114.3×4.0 mm，端頭封板Φ114.3×12 mm，結(jié)構(gòu)在焊縫背面存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象（圖1）。

圖1 實(shí)際分配管與封板連結(jié)

2 改進(jìn)措施

2.1 系統(tǒng)改進(jìn)

當(dāng)前系統(tǒng)主分配管DN100，22 根支管道均為DN25，通過重新核算安全泄放流量，保證安全泄放量等于或稍大于泄放工況下系統(tǒng)最大流量，即在主管道上再增加1 個(gè)DN50 的壓力泄放閥，并鋪設(shè)DN50 回流管至原水箱。

2.2 端頭封板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從施工及成本控制的角度考慮，主分配管可利舊，材料為TP304L；端頭封板需要重新制作，選用與主分配管相同材料，分配管與端頭封板連結(jié)方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)可參考《2020 ASME Boiler &Pressure Vessel Code Ⅷ Division 1：Rules for Construction of Pressure Vessels》標(biāo)準(zhǔn)。TP304L 的物理性能參數(shù)：彈性模量1.95×105MPa，泊松比為0.3，許用應(yīng)力［δ］＝115 MPa。

通過該標(biāo)準(zhǔn)可直接利用相應(yīng)公式計(jì)算分配管與端頭封板尺寸，并結(jié)合焊接工藝、材料實(shí)際供貨情況調(diào)整后，分配管Φ114.3×4.0 mm，端頭封板Φ114.3×16 mm（圖2）。

圖2 改進(jìn)后分配管與封板連結(jié)

3 分配管與端頭封板結(jié)構(gòu)有限元分析

標(biāo)準(zhǔn)雖然給出了推薦的結(jié)構(gòu)形式，但并未給出詳細(xì)具體的要求，故對(duì)此結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)行更詳細(xì)的分析。

3.1 建立有限元模型

為節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，最大限度減少截取端對(duì)端頭板的影響，截取分配管長(zhǎng)度，其中R 為分配管半徑，T 為有效厚度，取L＝150 mm。材料厚度負(fù)偏差已考慮在內(nèi)，焊縫假設(shè)與母材強(qiáng)度相同。該結(jié)構(gòu)在材料和載荷上對(duì)稱，可建立1/2 對(duì)稱模型。

3.2 網(wǎng)格劃分

前處理完成后，利用ANSYS Workbench 自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式自動(dòng)劃分網(wǎng)格的數(shù)量和大小，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)行粗略的試探性分析。待計(jì)算結(jié)果收斂后，適當(dāng)增加網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算結(jié)果精度。網(wǎng)格劃分完畢后，網(wǎng)格單元格數(shù)量80 489 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量140 249 個(gè)。

3.3 邊界條件及載荷的施加

在內(nèi)壁施加1.0 MPa 內(nèi)壓，分配管端面添加固定約束。因分配管長(zhǎng)度取值較大，可忽略掉因固定約束帶來的邊緣引力。

3.4 有限元計(jì)算分析

對(duì)該模型進(jìn)行分析求解（圖3、圖4）。在當(dāng)前的承載和結(jié)構(gòu)條件下，最大的應(yīng)力值出現(xiàn)在分配管與端頭封板的焊縫結(jié)合處，最大為29.865 MPa，遠(yuǎn)小于需用應(yīng)力；最大形變?yōu)槎祟^板中心處，最大0.012 mm，可忽略不計(jì)，顯示出較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度保障。

圖4 總體彈性形變圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為找到最合理的結(jié)構(gòu)，提高使用壽命，連接處的圓弧角度大小對(duì)該結(jié)構(gòu)的連結(jié)強(qiáng)度有較大影響，利用ANSYS Workbench對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化。將端頭板圓弧角半徑設(shè)為輸入?yún)?shù)，命名R6，將結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力設(shè)為輸出參數(shù)。定義設(shè)計(jì)變量的類型和上下限，使R6為［3，12］的連續(xù)變量。在更新設(shè)計(jì)點(diǎn)后，系統(tǒng)計(jì)算出所選的12 個(gè)樣本點(diǎn)相應(yīng)的最大應(yīng)力值（圖5）。

圖5 最大應(yīng)力隨圓弧角大小變化

在定義范圍內(nèi)，最大應(yīng)力隨著圓弧R6的變大先呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在圓弧角半徑為7.5 mm 時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)力最小28.531 MPa；此后隨著圓弧角都增大呈正相關(guān)關(guān)系，驗(yàn)證了原始分配管與端頭蓋板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理性。綜上所述，最佳的圓弧角R6為7.5 mm。應(yīng)用最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)代入到模型中，得到應(yīng)力云圖（圖6）。

圖6 優(yōu)化后的等效應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

通過對(duì)主分配管與端頭封板的應(yīng)力分析得出，該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫位置，即薄弱點(diǎn)在焊縫位置處。解決了因原始結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致切削液泄漏的問題，對(duì)類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造提供技術(shù)指導(dǎo)。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)連結(jié)過渡圓弧角的大小需要謹(jǐn)慎選擇，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作提供參考。