摘要:某厂在使用40T重力式自动板坯几年来,其中的自动开启装置经常发生断裂现象,本文通过有限元软件,分析了该装置发生断裂的原因,并给予改进的措施。
关键词:夹钳,有限元分析,疲劳分析,结构改进
国内某冶金厂在使用40T重力式自动板坯夹钳几年来,反映其自动开启装置经常发生断裂现象。自动开启装置是板坯夹钳的关键件,板坯夹钳的夹紧、放松全部工作过程都要靠它来保证。其强度的好坏直接影响到整机的工作效率。如果设计不当,将会导致在夹持物料过程中可能产生物料坠落等事故。由于作业场地的危险性较大,一旦出现事故,轻则砸坏设备、影响生产;重则机毁人亡,所以对它的研究具有很重要的现实意义。
自动开启装置主要由三部分组成:自动开启座、固定销轴、自动开启杆。当吊钩吊起上部横梁时,自动开启杆头部为横向,并锁住下横梁,此时钳腿处于张开状态,为吊运板坯做准备。
1、自动开启装置机构原理
当板坯夹钳放落到板坯上表面,使板坯上表面和支撑装置下表面触碰时,自动开启杆由于其斜面在固定销轴上的滑动,而自动旋转45°。当起重机吊钩起升时,自动开启杆又再自动旋转45°。一落一起自动开启杆旋转了90°,它的头部由原来的横向变为纵向,自动开启杆脱开下横梁。此时钳腿自动闭合而开始搬运板坯。当搬运的板坯放到指定的地方时,支撑架一落一起自动开启杆又一次自动旋转90°,又自动闭合,锁住下横梁,钳腿张开,准备下一次继续重复上述动作循环。周而复始地自动旋转,周而复始地自动开启,进行板坯搬运。
自动开启装置之所以会在一落一起时旋转90°,可以由图中的展开图说明。通过自动开启杆触碰,固定销轴在自动开启杆滑道里强行使自动开启杆旋转,而且是沿着角度分配有规律的旋转。使下横梁自动脱开或锁住,控制夹钳循环工作。
1.开启杆 2.固定销轴 3.柱面展开
图1 自动开启杆结构
Fig.1 Construction of self-opening and closing pole
2、自动开启装置三维模型的建立
(1)绘制零件模型并装配
(2)对三维模型进行干涉分析
干涉分析包括结构干涉分析和机构干涉分析,以保证结构设计合理的情况下,进一步保证机构设计的合理性。使其运动不存在任何干涉和死角。
图2 自动开启装置三维模型图
3、对自动开启装置进行有限元分析
图3 开启装置等效应力图
Fig.3 Equivalent stress map of the opening plant
从图中可以看出最大等效应力为261Mpa,此机构为厂标,其材料为35CrMo,其材料的许用应力为464Mpa。可见最大等效应力远远小于材料的许用应力,静强度合格。
3、疲劳应力分析
由于夹钳是处于交变应力作用下,所以对自动开启装置进行疲劳分析。该夹钳的工作等级为A7,而A7的利用等级为U6,其总的工作循环次数为N=1*106。结果如下:
图4 钳腿及开启装置疲劳分析图
Fig.4 Fatigue analytic map of the clamp’s legs and opening plant
由上图可以看到在经过106次循环后,自动开启装置安全系数最低为0.788,已经低于夹钳的设定安全系数1.8。继续对自动开启装置进行疲劳分析,将循环次数分别设为2*105、1*104,其结果如下图:
【A】循环次数为2*105【B】循环次数为104
图5 开启装置疲劳分析图
Fig.5 Fatigue analytic map of the opening plant
图6 开启装置生命周期图
Fig.6 Life cycle map of the opening plant
图5所示,当循环次数为2*105时,安全系数达到1,而当循环次数为104时,安全系数达到1.783,已经基本接近1.8。所以可以判定此开启装置的安全疲劳循环次数大致为104。按照一个小时工作20次,每天工作8小时,每月工作25日计算,该夹钳的自动开启装置安全工作时间仅为3个月左右,疲劳损坏时间大约4年。而在实际工作中,经常会出现碰撞和磨擦磨损情况,所以更容易疲劳破损,这与该装置实际工作中经常损坏的情况基本相符。
现在对开启装置中的中轴结构进行一下改动,尺寸改动如(图7),然后对尺寸改动后的开启装置重新进行装配,最后用有限元分析软件分析其等效应力、疲劳安全系数和生命周期。如下图(8)(9)(10)。通过结构改变,最大等效应力由原来的216Mpa降为139 Mpa;当循环次数为2.5*105时,最小安全系数为1.8,安全使用周期由3个月提高到5.2年;生命周期由原来的2*105增大为1*106,也就是生命周期由4年提高到30年以上。
经过对中轴的改进,设计寿命已经基本满足起重机的设计使用年限(15年以上)。
【A】尺寸改变前 【B】尺寸改变后
图7 开启装置中轴尺寸改变前后示意图
Fig.7 Sketch map before and after the middle-axis’s size of the opening plant been changed
图8 开启装置结构改变后等效应力图 图9 循环次数为2.5*105时的疲劳分析图
Fig.8 Equivalent stress map before and after the Fig.9 Fatigue analytic map when
construction of the opening plant been changed the cycle time is 2.5*105
图10 开启装置生命周期图
Fig.10 Life cycle map of the opening plant
参 考 文 献
[1].蔡春源著.新编机械设计实用手册.学苑出版社.1990.
[2].起重机设计规范.GB3811-83.