磷鐵環壓脫機沖頭座的強度分析

摘要：沖頭座是磷鐵環壓脫機的關鍵受力件，其受力強度的大小直接影響磷鐵環壓脫機的使用效率，強度過低會導致出現裂紋或變形，降低使用壽命，對沖頭座材料的選擇和強度的分析是磷鐵環壓脫機設計的關鍵因素。

關鍵詞：沖頭 ?沖頭座 ?磷鐵環壓脫機

0引言

磷鐵環壓脫機是碳素陽極組裝生產線上的核心設備之一，其主要功能是利用沖頭將殘留在陽極鋼爪上的磷鐵環從鋼爪上剝離下來，以便鋼爪經過清刷、涂石墨烘干后再次與新陽極塊進行澆鑄，制成新陽極組，再由運輸機送到電解車間使用。沖頭安裝在沖頭座上，沖頭座直接影響磷鐵環壓脫機的工作效率，所以本文將對沖頭座強度進行重點分析。

1 已知參數和要求

主要設計參數為：

沖頭、沖頭座的材質為：材料42CrMo;彈性模量2.06×1011Pa;密度7850kg/m3

最大抗拉強度590-900Mpa，最大屈服強度390-650MPa[1]，

本計算例按照590Mpa，最大屈服強度390MPa，安全系數取1.5。

許用抗拉強度393Mpa，許用屈服強度260MPa。

磷鐵環壓脫機在使用過程中，在圓角R處出現斷裂現象，原結構見圖1，考慮到有可能收到側向力，導致應力集中現象，超過了材料的許用屈服強度從而導致的斷裂現象，現將結構改進如下，見圖2，改進后的沖頭安裝在沖頭座里，與沖頭座形成一個整體，此時，就需要對沖頭座進行強度分析。

2邊界條件

基于AnsysWorkbench，采用實體solid187實體單元建立沖頭座有限元網格模型。總節點數42553，單元數24931。因為沖頭頂部為弧形結構，側向的大小未知，考慮到原結構的受力方式對原結構的沖頭施加側向力進行假設，逐步加大側向力的大小直至達到材料的屈服極限，得出施加的側向。將此側向力加到新結構沖頭座的相應位置，得出最大的應力值的位置，將最大應力位置加圓角，并將圓角設置為輸入參數，將最大應力值設置為輸出參數，分別列表了不同圓角值的大小對其最大應力值的影響。

3 結果及分析

原結構的沖頭應力值達到247.99 kN，施加在沖頭上的力為17.5kN[2]。

將此側向力施加到新結構的沖頭座上，可得最大應力為142.69MPa，最大值位置如圖4所示，此時該位置的圓角R1為6mm。

改變圓角值大小，將圓角作為輸入參數，應力值作為輸出參數，列表得：

4結論

通過以上實驗計算得出結論，圓角越大，應力值越小。通過對沖頭座進行強度分析，得到沖頭座最危險工況和位置，與現場收集到的裂紋位置吻合;本文提供的是一種裂紋的計算方法和過程，在實際生產過程中，需要根據探傷出來的裂紋位置、大小和形狀進行斷裂力學的分析。

參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊第三版[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]劉鴻文.材料力學第六版.北京：高等教育出版社，2017.

作者簡介：張佳亮（1980-），男，遼寧省沈陽市，高級工程師，工學學士學位，主要從事制鋁設備的設計研發工作。