1 700 mm熱軋飛剪機機架疲勞壽命分析

肖凌俊,劉安中,王 濤

(武漢科技大學機械自動化學院,湖北武漢,430081)

飛剪機架是飛剪機的永久性部件,是飛剪機最重要的零部件之一[1]。機架用來安裝飛剪機本體并承受剪切時所產生的沖擊和傾翻力,其強度和使用壽命將影響整個設備的可靠性和機組的運行效率,因此飛剪機架應具備足夠的強度和長久的使用壽命。掌握飛剪機架的應力和應變情況,并在此基礎上進行疲勞壽命分析對機架的維護、使用壽命和設計水平具有重要的指導意義。2008年底,某廠1 700 mm飛剪機架傳動側出口端立柱工藝孔附近多處部位出現裂紋,致使該切頭飛剪不能正常工作,嚴重地影響了該廠熱軋生產線的正常運行。為此,本文結合現場測試數據作出危險部位的載荷譜,采用修正Miner法則結合Corten-Dolan損傷理論對飛剪機架進行疲勞損傷與壽命分析,在此基礎上提出了提高飛剪機架強度和延長機架壽命的改進方案,并對改進方案進行了評估。

1 機架測試方法

1.1 飛剪機架的疲勞破壞

某廠1 700 mm飛剪機在年修過程中發現機架傳動側出口端立柱工藝孔多處發生斷裂,斷口呈典型的疲勞破壞特征,如圖1所示。為了對機架進行疲勞壽命分析,需確定飛剪機架危險部位的載荷譜,因此對該飛剪機架進行現場測試。

1.2 飛剪機傳動軸扭矩測試

圖2為飛剪機傳動示意圖。由圖2可看出,在傳動軸扭矩測點(1#、2#測點)上安裝扭矩傳

圖1 機架的疲勞斷裂Fig.1 Fatigue crack of the frame

感器以便測量傳動扭矩,并在傳動軸上組成全橋測試電路。

圖2 飛剪機傳動示意圖Fig.2 Transm ission of the flying shear

1.3 機架應力測試

應力測試主要測量傳動側機架入口和出口兩側面的應力(見圖3),并設置兩個測點(3#和8#測點),在工藝孔兩側設置4個測點(4#～7#測點)。在操作側機架入口和出口兩側面分別設置測點測試應力(見圖4中9#、12#測點),同時在底部工藝孔處設置2個測點(10#、11#測點)測試底部應力,并與傳動側機架相同位置所設測點測得的應力值作為比較。各測點主應力方向均為鉛垂方向,組成半橋測試電路。電橋信號由無線遙測裝置、Wave Book/516E應力振動數據采集系統和A/D變換后輸入計算機進行分析、處理。

圖3 傳動側機架應力測試貼片示意圖Fig.3 Stress test patch on the transm ission side of the frame

圖4 操作側機架應力測試貼片示意圖Fig.4 Stress test patch on the manipulation side of the frame

2 機架載荷譜

對測試30CrM nSi、35#鋼、45#鋼、Q 235等不同尺寸規格的板材剪切時的樣本進行分析統計,由此建立該飛剪機傳動扭矩的載荷譜。圖5為傳動軸扭矩分布直方圖。由圖5可看出,飛剪每完成一次剪切動作,飛剪機架就受到一次脈動循環載荷的作用,因此機架受到r=0的脈動循環的應力作用。

圖5 傳動軸扭矩分布直方圖Fig.5 Torque spectrogram of the transmission shaft

根據有限元計算結果,當傳動軸輸入扭矩為540 kN·m時,飛剪機架危險部位的最大應力峰值為37.64 M Pa,再結合圖5飛剪傳動軸扭矩的直方圖,根據線性比例關系,得到機架危險部位的應力譜圖。計入尺寸因素和安全系數,將非對稱循環應力轉化為對稱循環應力[2]后,得到機架危險部位的應力直方圖,如圖6所示。

圖6 轉換的r=-1對稱循環應力載荷譜Fig.6 Converted symmetric circular stress spectrogram

3 疲勞壽命分析

古典的p-S-N曲線理論認為,在理想情況下,當材料所受應力低于疲勞極限應力時,材料不產生疲勞損傷,但大量的實驗證明,一旦材料在已產生疲勞損傷的情況下,例如材料結構中已產生微小的裂紋,此時材料在承受低于疲勞極限的循環應力作用下,也能產生疲勞損傷,因此必須將p-SN曲線理論作必要的修正[3](見圖7)。對小于疲勞極限部分的p-S-N曲線(對數曲線)以(bp-2)斜線來代替原來的水平線(雙線性疲勞累積損傷理論),p-S-N曲線分段公式為

式中:N為材料的循環次數;σ為材料所受的應力,M Pa。

圖7 修正后材料ZG270～500的p-S-N曲線Fig.7 Modified p-S-N curves of ZG270～500

3.1 修正M iner法則的疲勞壽命估算

設材料在完整使用壽命期間應力循環的總次數為N總,則某一應力級別的應力循環的次數ni為[4]

式中:Pi為應力級別σi的概率。

按照修正Miner法則定義,當臨界損傷之和為一個不等于1的常數a,有[4]:

時,結構即發生疲勞破壞,式中:k為載荷譜中的應力水平級數;D為臨界損傷和。

該飛剪機年剪切量約為400萬t,每塊板材的重量平均約為17 t,每塊板材完成一次切頭切尾動作,再計入切取試樣的循環次數,則該飛剪機架每年應力循環的次數約為6×105次。由文獻[5]可知,取a=0.7,把式(3)代入式(4),該飛剪機機架疲勞壽命的計算式為

表1為對應σ-1應力分布發生疲勞破壞的應力循環次數Ni統計表。根據表1中的計算結果,并結合式(4),可得出飛剪機架的疲勞壽命為

表1 對應σ-1應力分布發生疲勞破壞的應力循環次數N i統計表Table 1 Stress circular times of fatigue destruction occuring for the stress distribution ofσ-1

3.2 Corten-Dolan疲勞損傷理論的壽命估算

由Corten-Dolan疲勞損傷理論可知[6-7],對于不同的載荷歷程,發生疲勞破壞時的總損傷D為一常數。以此為根據,提出以下疲勞壽命計算公式:

式中:T為總疲勞壽命,a;σ1為最高應力水平的應力幅值,M Pa;N1為應力σ1下的疲勞壽命,a;Pi為應力水平σi下應力循環數占總循環數的比例;k為應力水平級數;d為材料常數,當缺少實驗數據時,可取d≈0.85m,其中m為材料p-S-N曲線的指數,即m=-bp。則:

該飛剪機是20世紀70年代從國外引進的設備,其實際使用壽命約為35 a,按M iner修正法則結合Corten-Dolan疲勞累積損傷理論計算,該機架在目前工作負荷下的疲勞壽命分別為38.9、33.7 a,理論計算的疲勞壽命與實際使用壽命基本一致。根據現場裂紋擴展形態,可確定該機架產生裂紋的主要原因是疲勞破壞。

4 機架改進方案

從有限元仿真和現場破壞情況來看,機架底座部位工藝孔是整個機架的薄弱環節。根據現場測試數據和有限元分析的計算結果,發現工藝孔附近存在嚴重的應力集中現象,因此減小工藝孔過渡圓角處的應力集中能有效延長機架的疲勞壽命,于是考慮在減小工藝孔尺寸和增加工藝孔倒圓角方面進行改進。

4.1 機架工藝孔尺寸的改進

圖8為機架工藝孔尺寸改進方案示意圖。在滿足工藝要求的前提下,將機架立柱工藝孔的尺寸縮小,其高度由500 mm改為400 mm,其寬度由400 mm縮短為320 mm,同時將其過渡圓角的圓弧半徑由10 mm增大至15 mm。現場改進措施如下:①將機架工藝孔附近的裂紋進行補焊修復;②制作數塊改進后的工藝孔尺寸的鋼板,將機架工藝孔外側平面打磨平整后,將鋼板貼在機架工藝孔處實施堆焊,圖9為機架工藝孔改進后的示意圖。

圖8 機架工藝孔尺寸(mm)改進方案示意圖Fig.8 Improvement of the fabrication hole’s size

4.2 機架改進方案的疲勞壽命估算

由有限元計算得到機架工藝孔改進后機架危險部位的最大應力值為34.1 M Pa,同理作出機架工藝孔改進后其危險部位的對稱循環應力譜(r=-1),如圖10所示。

圖9 改進后機架工藝孔示意圖Fig.9 Diagram of the improved fabrication hole

圖10 改進方案危險部位的對稱循環應力譜圖Fig.10 Symmetric circular stress spectrogram of dangerous area after the improvement

對機架工藝孔的改進方案進行重復疲勞設計,按修正Miner法則并結合Corten-Dolan損傷理論公式進行估算,得到機架改進后的疲勞壽命分別為81.4、75.1 a,滿足了現場生產的設計要求。

5 結論

(1)采用現場實測方法得到機架載荷譜,它能真實地反映機架的載荷情況,為機架疲勞分析提供了可靠的依據。

(2)對機架進行疲勞壽命預測時,應計及低于疲勞極限的應力循環次數對飛剪機架裂紋發展的影響,并用修正的M iner法則結合Co rten-Dolan損傷理論進行疲勞壽命計算。

(3)按改進后的方案參數重新計算飛剪機架的疲勞破壞,表明該方案能有效地延長飛剪機架的使用壽命。

[1] 鄒家祥.軋鋼機械[M].北京:冶金工業出版社,2000:53-55.

[2] 徐灝.機械設計手冊第二分冊[M].北京:機械工業出版社1992:34-40.

[3] 劉安中,李友榮.軋機主傳動萬向接軸隨機疲勞設計[J].武漢科技大學學報:自然科學版,2008,31(1):32-36.

[4] Miner M A.Cumulative damage in fatigue[J].App l Mech,1945,12(3):A 159-A 164.

[5] 冶金工業部有色金屬加工設計研究院.板帶車間機械設備設計(上冊)[M].北京:冶金工業出版社,1983:40-50.

[6] 陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢:華中科技大學出版社,2002:70-80.

[7] 黃慶學,肖宏,孫斌煜.軋鋼機械設計[M].北京:冶金工業出版社,2007:104-105.