陶瓷液壓壓磚機(jī)立柱結(jié)構(gòu)的疲勞分析與研究

韋峰山康建喜

(1佛山市恒力泰機(jī)械有限公司 廣東佛山 528031) (2咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院 陜西咸陽 712000)

陶瓷液壓壓磚機(jī)立柱結(jié)構(gòu)的疲勞分析與研究

韋峰山1康建喜2

(1佛山市恒力泰機(jī)械有限公司 廣東佛山 528031) (2咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院 陜西咸陽 712000)

根據(jù)陶瓷液壓壓磚機(jī)特有的高周期疲勞工況特點(diǎn),提出并分析了梁柱型壓磚機(jī)可以改善和提高立柱的抗疲勞性能的途徑和方法,從而有效地提高壓磚機(jī)機(jī)架的可靠性和使用壽命。

陶瓷壓磚機(jī) 立柱結(jié)構(gòu) 疲勞研究

前言

陶瓷液壓壓磚機(jī)由于長期處于滿負(fù)荷、晝夜不停的連續(xù)性運(yùn)行的惡劣工況,故其主要的受力部件——機(jī)架必須具備超強(qiáng)的抗疲勞性能。這是陶瓷壓磚機(jī)區(qū)別于其它任何行業(yè)壓力機(jī)最主要的特征之一,也是當(dāng)代陶瓷壓磚機(jī)為了進(jìn)一步提高機(jī)架的可靠性和壽命,需要不斷研究和解決的主要課題之一。

立柱是壓磚機(jī)機(jī)架中最主要的受力件。梁柱型壓磚機(jī)的立柱主要有簡式立柱結(jié)構(gòu)和復(fù)式立柱結(jié)構(gòu)兩種形式。簡式立柱結(jié)構(gòu)通常適用于中小型壓磚機(jī),立柱的中段上、下設(shè)有定位臺(tái)階用于支承上、下梁,立柱預(yù)緊要兩端分別預(yù)緊,這種立柱的中段承受較大的脈動(dòng)交變拉應(yīng)力。而復(fù)式立柱結(jié)構(gòu),即拉桿套筒結(jié)構(gòu)則更適合于大、中型梁柱結(jié)構(gòu)的壓磚機(jī),套筒用作支承上、下梁,而立柱僅作受拉件,并且可以全長預(yù)緊,故復(fù)式立柱結(jié)構(gòu)用于陶瓷壓磚機(jī)更具優(yōu)越性。

圖1是金屬材料的疲勞S-N曲線圖,根據(jù)疲勞設(shè)計(jì)的基本理論:當(dāng)工作次數(shù)<103時(shí),一般按靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算;當(dāng)工作次數(shù)為103～107時(shí),要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核;當(dāng)工作次數(shù)>107時(shí)按無限壽命設(shè)計(jì)。由于陶瓷壓磚機(jī)的工作頻率高,以及采用連續(xù)運(yùn)行的工作制式,通常情況下日工作循環(huán)次數(shù)都在1萬～2萬次,小型壓磚機(jī)甚至超過2萬次。若按此計(jì)算大約2～3年時(shí)間其工作循環(huán)次數(shù)總數(shù)即達(dá)到和超過107次,因此,陶瓷液壓壓磚機(jī)立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)按無限壽命設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。

按無限壽命設(shè)計(jì)時(shí),其安全系數(shù)要高于疲勞校核時(shí)的安全系數(shù),校核時(shí)要以立柱的最薄弱、最危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橹?例如立柱的臺(tái)階應(yīng)力集中區(qū)域,受力較大的螺紋牙齒根部等。當(dāng)然,具體取值還要根據(jù)立柱的材質(zhì),截面尺寸,毛坯及熱處理情況,疲勞試驗(yàn)的數(shù)值,企業(yè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等綜合確定。

由于陶瓷壓磚機(jī)所處的工況惡劣,即晝夜不停的滿負(fù)荷連續(xù)性生產(chǎn),故不可能做到真正的無限壽命,這只是一個(gè)相對的概念,也就是說陶瓷壓磚機(jī)經(jīng)過多年使用后,出現(xiàn)斷立柱也是正常的疲勞損壞。據(jù)有關(guān)進(jìn)口壓磚機(jī)的資料顯示,立柱的保用期限一般為5年,從實(shí)際使用情況看某些進(jìn)口的優(yōu)秀品牌都能使用10年以上。隨著近年來國產(chǎn)壓磚機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的快速進(jìn)步,國產(chǎn)優(yōu)秀壓磚機(jī)的立柱壽命得到較大幅度的提高,完全可以與世界先進(jìn)壓磚機(jī)相媲美。

下面,筆者主要從盡可能的降低立柱工作時(shí)的應(yīng)力幅值,最大限度地減少應(yīng)力集中的危害以及材料和制造工藝等方面作出綜合性的分析論述。

圖1 金屬材料的疲勞S-N曲線

1 盡可能地降低立柱工作時(shí)的應(yīng)力幅值

根據(jù)經(jīng)典疲勞理論原理,交變應(yīng)力的幅值是影響疲勞強(qiáng)度的主要因素之一,應(yīng)力的幅值越高,其安全系數(shù)越低,即疲勞壽命越短。因此,在設(shè)計(jì)中盡可能地降低立柱工作時(shí)的應(yīng)力幅值是提高立柱抗疲勞性能的有效途徑之一。

圖2是復(fù)式立柱結(jié)構(gòu)簡圖,由于上、下梁的剛度遠(yuǎn)大于套筒的剛度,故套筒的剛度是決定受壓件總剛度的主要因素。因此選擇合理的立柱與套筒的剛度比,便可以有效地降低立柱工作時(shí)交變載荷的應(yīng)力幅值。

圖3是復(fù)式立柱結(jié)構(gòu)的受力及變形圖。當(dāng)機(jī)架處于靜態(tài)時(shí),立柱與套筒之間存在預(yù)緊力P0,立柱的伸長變形為λ1,套筒的壓縮變形為λ2。當(dāng)機(jī)架承受工作載荷P后,立柱受力上升為P1,套筒受力下降至P2,亦即立柱的受力變化為ΔP1,套筒的受力變化為ΔP2,P2為殘余預(yù)緊力,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保P2>0,λp為立柱加載與卸載之間套筒長度的變化量。

設(shè)立柱的長度為L1,套筒的長度為L2,立柱與套筒材料的彈性模量分別為E1和E2,立柱與套筒的面積分別為A1和A2。根據(jù)虎克定律,立柱的剛度為:

顯然從式⑤可以看出,當(dāng)立柱與套筒的剛度比C變小時(shí),立柱的交變載荷ΔP1即減小,亦即立柱承受的交變應(yīng)力的幅值σα=ΔP1/2A1也隨之減小。

根據(jù)陶瓷壓磚機(jī)的高周疲勞工況特點(diǎn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能將立柱與套筒的剛度比C值取得小些,例如通過適當(dāng)增大套筒的截面積,盡量降低套筒的高度來降低C值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)C值一般較合理的取值范圍應(yīng)為0.3～0.5,這樣立柱的交變載荷ΔP1=23%～33%P(工作載荷),例如某些進(jìn)口的優(yōu)秀壓磚機(jī)的C值經(jīng)估算為0.3～0.35,這種立柱結(jié)構(gòu)則更適合于高周疲勞工況的陶瓷壓磚機(jī)。反之,當(dāng)立柱與套筒的剛度比取得較大時(shí),例如當(dāng)C≥1時(shí),立柱的交變載荷即刻上升為ΔP1≥50%P(工作載荷),這對于高周疲勞工況很不利。另一方面,由于套筒的高度決定了機(jī)架的封閉內(nèi)高度,因此套筒長度的變化量λp是決定機(jī)架剛度的主要因素,λp越大,機(jī)架剛度越低。從式(5)也可以看出,λp與C成正比關(guān)系,故當(dāng)C值較大時(shí),機(jī)架剛度會(huì)大大降低。這種立柱結(jié)構(gòu)不適合于陶瓷壓磚機(jī),其原因是陶瓷壓磚機(jī)的壓制行程小,頻率高,基本上是瞬間完成加壓,而過大的機(jī)架變形會(huì)使壓磚機(jī)的系統(tǒng)液壓能因補(bǔ)償機(jī)架伸長變形而造成浪費(fèi),也就不可能滿足其特有的工作頻率高,動(dòng)作快的要求。至于某些行業(yè)的壓機(jī)由于工作的頻率很低,壓制時(shí)保壓的時(shí)間很長,甚至需要幾分鐘,故可以采用這種立柱結(jié)構(gòu),例如等靜壓壓機(jī)等。

簡式立柱結(jié)構(gòu)由于上、下段要分別預(yù)緊,其預(yù)緊工藝復(fù)雜,但其預(yù)緊副的受力與變形相對簡單,受壓件上梁或下梁的剛度相對于受拉件立柱的剛度大很多,即拉壓剛度比更小,故ΔP1更小,對于疲勞工況更有利。但簡式立柱的中段由于無法施加預(yù)應(yīng)力,故中段承受從零到最大的脈動(dòng)交變載荷,校核時(shí)要用脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限來校核立柱的中段。

2 最大限度地減少應(yīng)力集中的危害

對于陶瓷液壓壓磚機(jī)來說,解決應(yīng)力集中問題從某種意義上來說比降低壓磚機(jī)工作時(shí)的應(yīng)力幅值更重要。例如簡式立柱結(jié)構(gòu)的中段盡管承受較大的脈動(dòng)交變載荷,即工作時(shí)交變應(yīng)力的幅值高,但卻基本不會(huì)從此處斷裂,這是因?yàn)閴捍u機(jī)通常用此段兼作活動(dòng)橫梁的導(dǎo)向,而采用磨削工藝,表面光滑,沒有任何應(yīng)力集中現(xiàn)象,也就不可能產(chǎn)生裂紋。而簡式立柱結(jié)構(gòu)的上、下兩端雖然預(yù)緊后交變應(yīng)力的幅值較中段小很多,但卻在立柱臺(tái)階部位以及螺紋根部處常出現(xiàn)斷立柱現(xiàn)象。這足以說明解決立柱應(yīng)力集中問題的重要性。

2.1 通過提高梁體的剛度來減少應(yīng)力集中

壓磚機(jī)的上梁(橫梁)與下梁(底座)的彎曲變形會(huì)造成立柱內(nèi)側(cè)螺紋根部應(yīng)力集中,當(dāng)梁體的變形過大時(shí),通過螺母直接傳給立柱內(nèi)側(cè)螺紋牙根,而立柱的牙根恰恰是薄弱區(qū)域,往往從此處產(chǎn)生疲勞裂紋并慢慢延伸和擴(kuò)展直至斷裂。所以,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格控制梁體在滿載工作時(shí)的撓度,例如大型壓磚機(jī)的上梁(橫梁)和下梁(底座)的撓度一般不大于0.2mm/m,設(shè)計(jì)時(shí)還要更多地考慮梁體變形對立柱內(nèi)側(cè)螺紋根部的不利影響,尤其對于寬體壓磚機(jī)更應(yīng)該注意這一點(diǎn)。

立柱螺母的外徑大小也要根據(jù)梁體的變形來綜合考慮,當(dāng)梁體的變形較大時(shí),過大外徑的螺母會(huì)對立柱螺紋產(chǎn)生更大的危害,這可以從簡單的杠桿原理去理解。

2.2 采用特種結(jié)構(gòu)的螺母來減少應(yīng)力集中

隨著陶瓷行業(yè)壓磚機(jī)的大型化,大型梁體的彎曲變形也隨之加大。因此通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來減少梁體的變形也是有限的,還要設(shè)法通過不同結(jié)構(gòu)的螺母來獲得更理想的分散應(yīng)力的效果,這樣才能較理想地解決立柱螺紋的應(yīng)力集中問題。另一方面,普通平螺母結(jié)構(gòu)的致命缺點(diǎn)是,前幾扣牙的受力非常不利,例如第一扣螺紋牙所承受的力約占總螺紋牙受力的15%～20%,這一缺點(diǎn)對于陶瓷壓磚機(jī)的重要的受力件立柱來說是非常致命的。

圖4、圖5、圖6是幾種典型的可用于陶瓷壓磚機(jī)的立柱螺母,可以有效地解決大型壓磚機(jī)的立柱受力較大的前幾扣螺紋牙齒根部的應(yīng)力集中問題。

圖4是帶懸置圓臺(tái)螺母,通過將第一扣牙齒與約束面錯(cuò)開的方法來分散前幾扣牙根的應(yīng)力,經(jīng)過不斷的優(yōu)化,這種螺母將下部的圓臺(tái)變?yōu)殄F形,當(dāng)螺母的外徑足夠大時(shí),錐部還可以加長,并利用錐部的順應(yīng)變形優(yōu)勢來降低立柱螺紋前幾扣牙根處的應(yīng)力。

圖7 環(huán)槽扣牙結(jié)構(gòu)螺母

圖5是環(huán)槽結(jié)構(gòu)螺母,即將第一扣牙置于約束面的上方,并設(shè)有經(jīng)過優(yōu)化的環(huán)槽來降低前幾扣牙的應(yīng)力。環(huán)槽可以優(yōu)化成多種形狀,例如有的進(jìn)口壓磚機(jī)采用這種螺母,它的環(huán)槽結(jié)構(gòu)采用圖7所示的形狀。

圖6是內(nèi)斜結(jié)構(gòu)螺母,利用倒小角度(通常5～10°)的方法來有效地減少前幾扣螺紋牙根處的應(yīng)力。例如有些進(jìn)口壓磚機(jī)就采用類似的方法,不同的是其小角度倒角不在螺母上,而是在立柱的外螺紋上。

2.3 從螺紋牙型、螺距以及牙根來考慮減少應(yīng)力集中

目前,用于陶瓷壓磚機(jī)立柱的螺紋牙型主要有單線細(xì)牙三角形螺紋以及單線細(xì)牙鋸齒型螺紋兩種。無論采用哪一種牙型,其螺距大小以及牙根形狀和表面質(zhì)量都非常重要。例如螺距過小時(shí),牙齒的剪切應(yīng)力及彎曲應(yīng)力高,牙根圓角太小很難保證加工質(zhì)量;螺距過大時(shí),造成立柱牙根底徑減小,削弱了立柱受力時(shí)的有效面積。

考慮到陶瓷壓磚機(jī)的特殊工況以及受力特點(diǎn),45°細(xì)牙鋸齒形螺紋更具有優(yōu)越性。其主要特點(diǎn)是:螺紋連接強(qiáng)度高,自鎖及防松性能好,牙齒的抗彎強(qiáng)度高,變形小,不易于燒牙等。例如國內(nèi)的鍛壓行業(yè)壓機(jī)基本都采用這種牙型,而鍛壓行業(yè)壓機(jī)所面對的振動(dòng)和偏載問題是陶瓷壓磚機(jī)無法比擬的,所以大型陶瓷壓磚機(jī)的立柱采用45°鋸齒型螺紋更具優(yōu)勢,某些進(jìn)口壓磚機(jī)的立柱就采用此種螺紋牙型。

除此而外,適當(dāng)增大螺距,例如把螺距從10調(diào)整到12,螺紋牙根的圓弧半徑就會(huì)隨之增大,這會(huì)起到非常有效的抗疲勞效果。如圖8所示,增大鋸齒形螺紋牙根的圓弧半徑R就如同在簡式立柱結(jié)構(gòu)的立柱臺(tái)階處設(shè)置卸載區(qū)的道理一樣。如圖9所示,卸載區(qū)可以把因?yàn)榱⒅孛嫱蛔兌斐傻膽?yīng)力集中通過大圓角或者角形線過渡降低到最小。同樣,對于立柱螺紋牙根處,由于圓角相對地增大,也使牙根的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯的改善。

3 從材料及制造工藝等方面提高立柱的抗疲勞性能

3.1 選擇合理的材料及熱處理工藝

根據(jù)陶瓷壓磚機(jī)的高周疲勞工況特點(diǎn),選擇立柱材料時(shí)應(yīng)該優(yōu)先考慮抗疲勞性能良好的合金結(jié)構(gòu)鋼。例如40CrNiMo,35CrMo,34CrNi3Mo等,這些合金結(jié)構(gòu)鋼的韌性和強(qiáng)度都大大好于碳素結(jié)構(gòu)鋼。尤其淬透性好,淬透層深,可以獲得良好的調(diào)質(zhì)組織,即高強(qiáng)度、高韌性、綜合機(jī)械性能好的回火索氏體,非常有利于提高立柱的疲勞強(qiáng)度。考慮到立柱的拉伸預(yù)緊以及立柱承受附加彎曲時(shí)的順應(yīng)變能力,故其調(diào)質(zhì)硬度不能太高,一般HB為240～270。

例如40CrNiMo屬于標(biāo)準(zhǔn)牌號調(diào)質(zhì)鋼中的優(yōu)質(zhì)材料,一般鋼廠都有標(biāo)準(zhǔn)鋼錠,其特點(diǎn)是更適合于制作大型壓磚機(jī)的立柱,即使對于直徑大約350mm的截面尺寸,其淬透層深度也可以達(dá)到40mm左右,而35CrMo僅25mm左右,故35CrMo則更適合于用作中小型壓磚機(jī)的立柱。

3.2 提高立柱螺紋牙根區(qū)域的表面質(zhì)量

根據(jù)經(jīng)典疲勞理論原理,表面系數(shù)與安全系數(shù)成正比,即表面越光滑疲勞強(qiáng)度越高,例如磨削加工和拋光的表面系數(shù)最高,精車次之,鑄鍛件毛面最差,故對于立柱的主要受力的螺紋段(背母段除外),要嚴(yán)格控制牙根圓弧處的表面粗糙度,不能有任何的不良刀痕,最好拋光。也可用專用滾刀滾壓受力較大的螺紋段的牙根圓弧部分,將牙根圓弧區(qū)域的刀痕和微觀缺陷壓光壓平,并產(chǎn)生表面壓應(yīng)力層,從而有利于提高立柱的疲勞強(qiáng)度。

3.3 嚴(yán)格控制原材料及機(jī)械加工缺陷

由于陶瓷壓磚機(jī)立柱的特殊性和重要性,制造工藝要從毛坯鍛造開始到機(jī)械加工,都必須規(guī)定嚴(yán)格的工藝路線以及檢測措施,建立完善的鍛件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),探傷標(biāo)準(zhǔn),探傷方法等。例如缺陷部位,缺陷大小,內(nèi)部或外部,單個(gè)缺陷或密集型缺陷等這些都要根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來嚴(yán)格執(zhí)行才能確保立柱的質(zhì)量。

1 韋峰山,等.現(xiàn)代陶瓷液壓壓磚機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展方向.全國性建材科技期刊——陶瓷,2006(12):33～38

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3 韋峰山,溫怡彰,葉松君.梁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的恒力泰新一代寬體高效壓磚機(jī).全國性建材科技期刊——陶瓷,2010(2):50～52

4 陳愛民.薩克米新型系列大噸位全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)分析.全國性建材科技期刊——陶瓷,2007(1):40～43

5 馮冬清,謝宋和.模糊智能控制.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998