某型號翻轉(zhuǎn)機(jī)橫梁斷裂原因診斷

傅 飛，黃志來，張慶賀

0 前言

翻轉(zhuǎn)機(jī)在工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛[1-2]，現(xiàn)有某型號翻轉(zhuǎn)機(jī)如圖1所示，在生產(chǎn)混凝土砌塊翻轉(zhuǎn)去廢皮的這一階段中，翻轉(zhuǎn)機(jī)的橫梁出現(xiàn)了裂紋甚至斷裂的現(xiàn)象，斷裂現(xiàn)場如圖2所示。這類事故嚴(yán)重影響生產(chǎn)效益，給企業(yè)造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 翻轉(zhuǎn)機(jī)

圖2 現(xiàn)場破壞圖

1 斷裂原因分析

翻轉(zhuǎn)機(jī)橫梁斷裂的原因大致可以分成三大類：

（1）橫梁自身的強(qiáng)度不足，這包括靜力強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度兩個方面[3]。

（2）運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動過大造成的斷裂。但調(diào)研了整個生產(chǎn)過程，沒有發(fā)現(xiàn)有共振現(xiàn)象，所以這一原因可以排除。

（3）設(shè)備的使用壽命到了導(dǎo)致的橫梁正常斷裂[4]。實(shí)際情況是斷裂機(jī)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，但實(shí)際情況可能并沒有設(shè)計(jì)出預(yù)定的壽命。

因此，第一條成為了最可能的斷裂原因，成為重點(diǎn)要分析的關(guān)鍵點(diǎn)。

2 橫梁靜力強(qiáng)度分析

根據(jù)幾何尺寸，在Analysis[5]軟件中建立如圖3所示的有限元模型，將毛坯的重力作為壓力施加在翻轉(zhuǎn)板和翻轉(zhuǎn)架上，壓力為P=0.013 5 N/mm2，液壓缸的推力則是作用在橫梁兩端的銷軸上，單個液壓=41.786 1 kN.在Analysis中設(shè)置好面接觸對以及施加的約束和載荷。

圖3 有限元模型

在整個工作過程中，橫梁的最危險(xiǎn)工況可以通過幾何關(guān)系可以獲得，即在翻轉(zhuǎn)角度θ＝0.242弧度（即θ＝13.866°時）為最危險(xiǎn)工況，對應(yīng)于橫梁的斷裂點(diǎn)出現(xiàn)最大彎矩MBmax=49.319 9 kN·m，液壓缸總的力T=83.572 2 kN.

在General Postproc中查看結(jié)構(gòu)整體第一主應(yīng)力云圖如圖4所示，而mises應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖中4可知，第一主應(yīng)力最大點(diǎn)在翻轉(zhuǎn)橫梁的實(shí)際斷口附近，值為 151.20 MPa，即 σmax＝ 151.20 MPa.由圖5可知，結(jié)構(gòu)的最大mises應(yīng)力值也在橫梁上，值為257.052 MPa，而所用材料許可靜力強(qiáng)度超過了280 MPa，因此橫梁結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度足夠。

圖4 第一主應(yīng)力云圖

圖5 mises應(yīng)力云圖

3 疲勞強(qiáng)度分析

仔細(xì)觀察橫梁斷面圖，發(fā)現(xiàn)斷裂處有些區(qū)域比較平滑，有些區(qū)域呈現(xiàn)顆粒狀[6]，并且有明顯的疲勞源如圖6所示，因此疲勞破壞導(dǎo)致的斷裂可能性非常大。下面從疲勞強(qiáng)度方面對模型進(jìn)行理論核算。

圖6 橫梁斷面圖現(xiàn)場圖

橫梁的疲勞強(qiáng)度計(jì)算：

材料疲勞強(qiáng)度相關(guān)強(qiáng)度條件為[3，5]

式中：nσ為構(gòu)件的工作安全因數(shù)；σ-1為持久極限；Kσ有效應(yīng)力集中系數(shù)；εσ為尺寸因數(shù)；β為表面質(zhì)量系數(shù)；n為構(gòu)件的安全因數(shù)。

根據(jù)手冊[3，5]可得，普碳鋼常溫條件下的持久應(yīng)力σ-1＝225 MPa，有效應(yīng)力集中系數(shù)Kσ＝1.0，尺寸因數(shù)εσ＝0.68，表面質(zhì)量系數(shù)取β＝0.836 7，構(gòu)件的安全因數(shù)n=1.4~1.6，取n=1.4.將數(shù)據(jù)代入式（1）可得：

σmax≤ 91.439 4 MPa

即橫梁的最大疲勞應(yīng)力應(yīng)低于91.439 4 MPa才能保證橫梁不受疲勞破壞，但是在前面有限元分析的得出橫梁斷裂處的最大應(yīng)力值為σmax=151.20 MPa＞91.439 4 MPa.也就是說，翻轉(zhuǎn)架橫梁的失效原因是疲勞破壞，并且是設(shè)計(jì)上沒有考慮完全的原因，從而引起實(shí)際的使用壽命遠(yuǎn)沒達(dá)到想要的使用壽命，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行改造。

4 橫梁結(jié)構(gòu)改造

在這里提出了一個改進(jìn)方案，橫梁上的四個角鋼如圖7所示，分別在橫梁的四個角上，厚度均為角鋼的原始厚度8 mm.

圖7 增加四角鋼后的橫梁

改進(jìn)后的橫梁第一主應(yīng)力云圖如圖8，最大值為78.2107 MPa，此時結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度完全滿足使用要求，使用壽命能得到非常好的保證。

圖8 橫梁及角鋼第一主應(yīng)力云圖

5 結(jié)束語

經(jīng)過改造的設(shè)備，在生產(chǎn)實(shí)際中不再發(fā)生橫梁斷裂事故，實(shí)踐證明改造方法有效。綜上所述可知，原有設(shè)備是因?yàn)樵O(shè)計(jì)中沒有充分考慮材料的疲勞特性，而導(dǎo)致的橫梁疲勞斷裂。

[1]張 瑞，王玉寬，王春英，等.空中翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（12）：17-19.

[2]杜聿靜，王 雷.國內(nèi)外翻轉(zhuǎn)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀概述[J].中國機(jī)械，2013（7）：202-203.

[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[5]賀李平，肖介平，龍 凱.ANSYS 14.5與HyperMesh 12.0聯(lián)合仿真有限元分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[6]袁文博.工程力學(xué)手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1988.