吊耳焊縫應(yīng)力分析及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳和保，龍玉陽(yáng),胡漢華，余經(jīng)炭

(1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢紐威制藥機(jī)械有限公司，湖北 武漢 430065)

0 引 言

提取罐吊耳是開(kāi)門機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的支撐部件，它通過(guò)自動(dòng)控制的氣缸實(shí)現(xiàn)罐體卸料門的開(kāi)啟和關(guān)閉.卸料門的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，吊耳承受著較大的交變應(yīng)力作用，工程實(shí)踐中，常常容易出現(xiàn)吊耳底部與筒壁焊接處焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響提取罐的正常運(yùn)行和操作安全.提取罐屬于壓力容器，設(shè)備運(yùn)行安全系數(shù)要求較高，焊縫開(kāi)裂的預(yù)防就顯得尤為重要，為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)開(kāi)裂源的位置，本文通過(guò)力學(xué)計(jì)算和有限元軟件全面分析研究了吊耳根部焊縫的應(yīng)力分布特征和裂紋形成機(jī)理，確立了應(yīng)力大小與焊縫尺寸的關(guān)系，并提出了防止焊縫開(kāi)裂的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.

1 吊耳根部焊縫強(qiáng)度分析

卸料門的開(kāi)關(guān)過(guò)程是一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)，中藥提取完成后，容器內(nèi)部壓力卸除，鎖緊缸快開(kāi)開(kāi)關(guān)打開(kāi)瞬間，吊耳根部所受拉應(yīng)力最大.如圖1所示.

圖1 排渣門受力簡(jiǎn)圖Fig.1 Free-body diagram of slagging door

由杠桿平衡條件得：

FQA·l1=G·l2

以啟閉缸吊耳為研究對(duì)象，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行受力分析，作用在吊耳上的力FQA，表現(xiàn)形式為對(duì)吊耳的彎矩，吊耳與補(bǔ)強(qiáng)板的焊接方式為連續(xù)角焊，焊縫寬度為6 mm，焊縫截面為矩形框，如圖2所示.

圖2 焊縫截面圖Fig.2 Diagram of weld section

矩形框慣性矩為

1.34×10-5m4

抗彎截面系數(shù)[1]：

最大拉、壓應(yīng)力：

其中：σ為角焊縫許用應(yīng)力，n為安全系數(shù).查表[1]得：角焊縫拉伸、壓縮、彎曲許用應(yīng)力[σ]=118 MPa，安全系數(shù)按抗斷裂計(jì)算取n=4.

那么σ·n=148.98 MPa>[σ]

該截面處的理論拉應(yīng)力大于許用應(yīng)力，該截面是危險(xiǎn)截面，且根據(jù)焊縫斷裂原因以及彎矩的作用形式，分析知最大拉應(yīng)力位于矩形框下截面.

2 基于有限元軟件的吊耳根部焊縫模擬

為了深入分析焊縫產(chǎn)生裂痕原因，采用有限元軟件建模[2-4]，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限元的計(jì)算，得出吊耳根部應(yīng)力分布圖，如圖3所示.其中，吊耳尺寸為238×180×50，底板尺寸為320×180×8，材料均為Q235，吊耳與底板采用角焊形式，焊條牌號(hào)J427，焊縫高度為8 mm.

圖3 焊縫截面應(yīng)力分布圖Fig.3 Diagram of stress distribution on weld section

由上圖分析可知，由于受轉(zhuǎn)矩作用，矩形焊縫框一端受拉應(yīng)力作用，一端受壓應(yīng)力作用，且最大應(yīng)力位于矩形框下端，σmax=60.809 7 MPa，與理論分析相符.

3 防止焊縫開(kāi)裂的措施

在最危險(xiǎn)截面處，增加一塊補(bǔ)強(qiáng)筋板.如圖4所示.

圖4 吊耳俯視圖Fig.4 Vertical view of lifting lug

加上補(bǔ)強(qiáng)板后，整個(gè)焊接截面如圖5所示.

圖5 焊縫截面圖Fig.5 Diagram of weld section

該截面的慣性矩Ix由下面公式算得：

0.000 055 681 m4-0.000 030 797 m4=

0.000 024 884 m4

該截面的抗彎截面系數(shù)：

0.000 264 723 m3

最大拉應(yīng)力：

19.27 MPa

σ·n=77.08 MPa<[σ]

加了補(bǔ)強(qiáng)板之后，適當(dāng)?shù)脑黾恿撕缚p的面積，增大了抗彎截面系數(shù)，危險(xiǎn)截面的最大拉應(yīng)力由148.98 MPa降至77.08 MPa,對(duì)吊耳與補(bǔ)強(qiáng)板焊縫的抗裂起到很大程度上的幫助.

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算和有限元軟件建模兩種途徑分析了中藥提取罐啟閉缸吊耳的焊縫強(qiáng)度問(wèn)題，得到以下結(jié)論:

(1) 經(jīng)計(jì)算，吊耳根部矩形焊縫截面的截面系數(shù)為1.37×10-4m3，最大拉應(yīng)力為148.98 MPa，大于許用應(yīng)力值，該截面為危險(xiǎn)截面，容易開(kāi)裂.

(2)運(yùn)用有限元軟件對(duì)矩形焊縫截面進(jìn)行了數(shù)值模擬，其上應(yīng)力分布為：從矩形框中部向兩端，應(yīng)力值逐漸增大，最大應(yīng)力集中于矩形框最底部.

(3)通過(guò)在吊耳底部增設(shè)一個(gè)補(bǔ)強(qiáng)筋板，使其危險(xiǎn)截面最大應(yīng)力值降至77.08 MPa,有效地預(yù)防了焊縫開(kāi)裂.

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