李世紅

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

隨著我國(guó)石油化工行業(yè)的迅速發(fā)展，壓力容器的需求量也越來(lái)越大。制造壓力容器用的滾板機(jī)也大量投入了使用，然而，由于種種原因，輥?zhàn)颖粔簭澋默F(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如果報(bào)廢重新購(gòu)買新輥?zhàn)?，必然造成?jīng)濟(jì)的浪費(fèi)及工期的延誤。結(jié)合力學(xué)分析，采用了一種比較簡(jiǎn)單的方法矯正被壓彎的輥?zhàn)印?/p>

某公司鉚焊車間一臺(tái)三輥滾圓機(jī)，輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。由于使用不慎，將上輥手柄處壓彎，壓彎后手柄端面中心與原中心相差32.5mm（圖1 中E' 與F 之間的距離），且彎曲點(diǎn)恰在輥?zhàn)虞^大變徑處（φ340- φ220 交界O 點(diǎn)）。圖中O 點(diǎn)位置為輥?zhàn)佣嗣嬷行狞c(diǎn)；1200 上面斜線為輥?zhàn)訌澢x中心經(jīng)EE' 的彎曲線；AB 段為輥?zhàn)訌澢危ㄥF段）；手柄指輥?zhàn)佑覀?cè)末端手動(dòng)操作的機(jī)構(gòu)（矩形）；E' F 的長(zhǎng)度為32.5mm，表示輥?zhàn)訌澢驛B 段末端手柄處彎曲造成的中心線偏離尺寸。

圖1 輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（單位：mm）

1 檢驗(yàn)及測(cè)量

（1）用1m 的鋼尺從側(cè)面貼緊A—B 段，沿圓周方向每60°貼緊一次，鋼尺貼合后底部均無(wú)間隙，說(shuō)明彎曲處只在O 點(diǎn)。

（2）對(duì)輥?zhàn)訌澢帲▓D1 中O 點(diǎn)外徑處），用著色探傷檢查，表面無(wú)裂紋，超聲波檢測(cè)，內(nèi)部也無(wú)裂紋等缺陷，說(shuō)明此處雖被壓彎，但只是彈塑性變形，未發(fā)生撕裂和斷裂，即應(yīng)力不大于材料的強(qiáng)度極限（σb）。

（3）材料的機(jī)械性質(zhì)：輥?zhàn)訛殄戜?5，屈服極限（σS）為360MPa，強(qiáng)度極限為600MPa。

2 分析計(jì)算

2.1 材料力學(xué)性質(zhì)

材料的力學(xué)性質(zhì)[1]簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

圖2 材料的力學(xué)性質(zhì)示意圖

彈性階段（oa'）：σp為比例極限，σe為彈性極限，當(dāng)應(yīng)力在oa' 范圍內(nèi)變化時(shí)，只發(fā)生彈性變形，卸載后恢復(fù)原狀，無(wú)變形；

屈服階段（bc）：σS為屈服極限，在此階段發(fā)生塑性變形，卸載后仍有一定變形。所謂塑性變形，指外力超過(guò)一定限度，解除外力后，只能部分復(fù)原，而遺留一部分不能消失的變形；

強(qiáng)化階段（cd）：在強(qiáng)化階段，要想使材料繼續(xù)變形必須加載。當(dāng)加載時(shí)，σ 變大；當(dāng)?shù)竭_(dá)d 點(diǎn)時(shí)，為最大名義應(yīng)力，稱為材料的強(qiáng)度極限。

頸縮階段（de）：從d 開(kāi)始，出現(xiàn)“頸縮現(xiàn)象”，受力即使變小，也易斷裂。

2.2 矯正方法

選用冷矯正方法，首先把輥?zhàn)右粋?cè)固定，在另一側(cè)即手柄處的一側(cè)用油壓千斤頂施加外力，使手柄彎曲處發(fā)生彈塑性變形，而其他部位只發(fā)生彈性變形，以達(dá)到冷矯正的目的。其矯正結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 矯正結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.3 輥?zhàn)邮芰Ψ治?/h3>

對(duì)輥?zhàn)痈鼽c(diǎn)進(jìn)行受力分析，詳見(jiàn)圖4。

圖4 輥?zhàn)邮芰κ疽鈭D

2.3.1 螺栓受力分析

假設(shè)四根螺栓受力均勻且均為P，輥?zhàn)幼陨碇亓亢?0t 油壓千斤頂?shù)牧ο啾群苄。珊雎圆挥?jì)。千斤頂置于C 處時(shí)，螺栓受力情況如圖5 所示。

圖5 螺栓受力示意圖

單根螺栓受力（P）計(jì)算式見(jiàn)式（1）。

式中：F——油壓斤頂力，設(shè)F 為最大，4×105N；

P——單根螺栓受力，N；解得：P=1.8×105N。

每根螺栓產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力（σ）計(jì)算見(jiàn)式（2）。

又由螺栓材料性質(zhì)可知，材料 40Cr 的σs=635MPa、σb=765MPa。σ＜σs，且σ＜σb, 所以螺栓不會(huì)被拉斷，在受力作用時(shí)只發(fā)生彈性變形。

2.3.2 計(jì)算彎矩

輥?zhàn)訌澗赜?jì)算簡(jiǎn)圖由圖6 所示。AB 段為錐體，各截面處直徑可以表示為隨X' 軸變化并以dB、dA表示的直徑，詳見(jiàn)式（3）。

圖6 輥?zhàn)訌澗赜?jì)算簡(jiǎn)圖

式中：dB——B 點(diǎn)截面處的輥?zhàn)又睆剑?40mm；

dA——A 截面處的輥?zhàn)又睆剑?20mm；

AB——取1200mm。

根據(jù)式（5），以C 點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)算彎矩。由于各段重力G1、G2、G3、G4、G5與千斤頂?shù)牧 相比很小，在計(jì)算彎矩時(shí)可以忽略不計(jì)。

由以上計(jì)算做彎矩圖和剪力圖，分別見(jiàn)圖7 和圖8。

圖7 彎矩圖

圖8 剪力圖

由圖7 可以看出，彎矩是不斷變化的，且AC 段各處直徑也是變化的。為此，AC 段各處應(yīng)力可以表示為式（6）。

式中，dA為==220mm，故σA=344MPa。

再由圖7 可以看出，O 點(diǎn)處彎矩較大，且O 點(diǎn)與A 點(diǎn)處截面直徑相同。因此，必須校核O 點(diǎn)截面處的應(yīng)力，見(jiàn)式（8）。

由圖7 還可以看出，D 點(diǎn)處所產(chǎn)生的彎矩最大，但此截面處直徑也最大，校核此截面處的應(yīng)力（式9）。

2.4 計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算可知，在AC 段內(nèi)，σX隨X 的增大而增大。在A 點(diǎn)處，σX達(dá)到AC 段內(nèi)的最大值，即σA=344MPa。在O 點(diǎn)處，σO=420.8MPa。

又因45 鍛鋼的σs=360MPa、σb=600MPa，可知σA＜σs，σs＜σO＜σb。因此推知，在AC 段內(nèi)各點(diǎn)只發(fā)生彈性變形；O 點(diǎn)截面處發(fā)生彈塑性變形，但不會(huì)發(fā)生裂紋及其斷裂。又因?yàn)棣襠=112MPa，得σD＜σs，說(shuō)明此截面處只發(fā)生彈性變形[3]。

分析剪切應(yīng)力，由圖8 可以得出，各處剪切力相等，只校核半徑最小截面處即可。由圖4 可知，C 處截面直徑最小，只須校核C 點(diǎn)截面處。剪切應(yīng)力計(jì)算見(jiàn)式（10）

3 矯正過(guò)程

首先，測(cè)量端面中心到垂直下方某一固定點(diǎn)的距離為a（目的是矯正到最后，使之中心處變化32.5mm，與原中心重合，為了操作方便，使之彎向下方，把千斤頂放在下方，向上頂），記錄數(shù)據(jù)，然后用油壓千斤頂一點(diǎn)一點(diǎn)往上頂，并用木錘不斷輕輕敲擊變徑處，使之變形，并不斷隨時(shí)消除產(chǎn)生的應(yīng)力，防止發(fā)生裂紋。頂上一段距離（b- a）后卸載，發(fā)生塑性變形，測(cè)量其中心到固定點(diǎn)距離b1，則變形量為（b1-a）；再次上頂距離（c- b1）,重復(fù)以上的步驟，輕輕敲擊變徑處，卸載，測(cè)其中心到固定點(diǎn)的距離為c1，則總的變形量為（c1- a）,多次重復(fù)以上步驟，逼近最后變形量為32.5mm；在矯正過(guò)程中，還要把輥?zhàn)臃旁跐L動(dòng)的輪胎上，用百分表測(cè)量其圓柱度，用鋼尺測(cè)其是否出現(xiàn)“S”曲線形狀變化，具體結(jié)構(gòu)如圖9 所示（參照?qǐng)D1）。用這種方法矯正壓彎曲輥?zhàn)?，最后用百分表測(cè)量，對(duì)中心誤差0.2mm，無(wú)“S”曲線形狀。

圖9 矯正過(guò)程示意圖

經(jīng)有關(guān)部門審核合格，對(duì)易發(fā)生裂紋處用著色探傷檢查，無(wú)裂紋，超聲波檢測(cè)無(wú)缺陷產(chǎn)生，并由車間一次試車，滾出了合格產(chǎn)品。

4 結(jié)語(yǔ)

本次輥?zhàn)訅簭澇C正，是一次初步嘗試，至于如何在允許的條件下進(jìn)行更加合理，如何使各部分彎曲一致，并不出現(xiàn)“S”形狀。則可運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，使輥?zhàn)邮直鞑糠职磻?yīng)變力布置多個(gè)受力點(diǎn)。