動(dòng)顎焊接接頭的疲勞可靠性分析

宿 默 仲梁維 陳俊林

動(dòng)顎焊接接頭的疲勞可靠性分析

宿 默 仲梁維 陳俊林

(上海理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 上海 200093)

介紹了運(yùn)用有限元分析軟件Solidworks 2009對(duì)新型顎式破碎機(jī)的焊接動(dòng)顎體進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果表明，運(yùn)用有限元方法可以得出不同焊縫寬度情況下的應(yīng)力結(jié)果，通過對(duì)焊縫疲勞壽命的計(jì)算，大大提高了破碎機(jī)的性能，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，避免了了顎式破碎機(jī)動(dòng)顎體焊縫內(nèi)的較多缺陷，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

動(dòng)顎體 焊縫 顎式破碎機(jī) 有限元

顎式破碎機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山、冶煉、建材、公路、鐵路、水利等工程領(lǐng)域[1]。其中復(fù)擺顎式破碎機(jī)因具有性能良好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在中小型系列破碎機(jī)中占有較大比例，并有不斷向大型化發(fā)展的趨勢(shì)。從20世紀(jì)60－90年代開始，國(guó)外便開始利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)、腔型及磨損進(jìn)行仿真分析，大大提高了破碎機(jī)性能，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，而目前國(guó)內(nèi)顎式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)仍偏重于經(jīng)驗(yàn)方法[2]。

為緩解國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的環(huán)保壓力，降低破碎機(jī)的生產(chǎn)成本，滿足移動(dòng)式破碎篩分站對(duì)顎式破碎機(jī)外形尺寸的要求，經(jīng)過技術(shù)人員的努力，對(duì)傳統(tǒng)鑄鋼顎式破碎機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了改進(jìn)型的焊接機(jī)架—顎式破碎機(jī)。該破碎機(jī)具有結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率更高、制造周期更短、生產(chǎn)成本更低、外形更美觀及制造過程更環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而影響其性能的一個(gè)重要因素就是焊縫質(zhì)量。

板材的焊縫類型有許多種，典型的焊縫區(qū)域主要包括熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫和母材，如圖1所示?，F(xiàn)代焊接技術(shù)和高強(qiáng)度焊絲的應(yīng)用使焊接接頭的靜強(qiáng)度可以達(dá)到母材的靜強(qiáng)度。但是由于在焊接過程中高溫的影響，使焊接區(qū)域的熱影響區(qū)和熔合區(qū)產(chǎn)生了焊接殘余應(yīng)力，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響較大，因此焊接接頭的疲勞強(qiáng)度低于其連接母材的疲勞強(qiáng)度。在工作過程中，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度取決于焊接接頭的抗疲勞性能。另據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在金屬結(jié)構(gòu)中，因疲勞而失效的約占80%～90%，而其中約70%～80%是由焊接件的疲勞失效造成的[3]。

焊縫缺陷的力學(xué)描述通常分為三類，第一類是幾何形狀缺陷，包括焊接錯(cuò)邊和撅嘴等；第二類是平面缺陷，包括裂紋、未熔合、未焊透等焊接缺陷；第三類是非平面缺陷，包括氣孔、夾雜等體積缺陷和壁厚局部減薄等。在顎式破碎機(jī)動(dòng)顎體焊縫內(nèi)發(fā)現(xiàn)較多的焊接缺陷，而且多為復(fù)合型缺陷。

圖1 焊縫區(qū)域

下面以某路橋機(jī)械設(shè)備有限公司型號(hào)為PE-1200X1500的顎式破碎機(jī)為研究對(duì)象，利用Solidworks 2009 Simulation軟件對(duì)在不同焊縫寬度情況下的動(dòng)顎進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算和疲勞分析。

1 復(fù)擺顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)模型

復(fù)擺顎式破碎機(jī)主要由偏心軸、動(dòng)顎、肘板和機(jī)架組成。如圖2所示，以曲柄轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)，軸垂直向下，軸水平向左建立平面直角坐標(biāo)系。在機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，為曲柄，為搖桿，在破碎機(jī)中分別對(duì)應(yīng)偏心軸和肘板；為動(dòng)顎，為定顎，與組成破碎腔，由動(dòng)顎(連桿)往復(fù)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的功能[4]。

圖2 復(fù)擺顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖

動(dòng)顎懸掛在偏心軸上，偏心軸由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)[5]。動(dòng)顎板和定顎板之間的空間形成破碎腔，動(dòng)顎在偏心軸的帶動(dòng)下作復(fù)雜的平面擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)顎板利用螺栓固定在動(dòng)顎上隨動(dòng)顎進(jìn)行復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。

顎式破碎機(jī)的動(dòng)顎體是破碎機(jī)中重量較大的零件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由動(dòng)顎齒板座、邊板、軸管等零件焊接而成，如圖3所示。承受了破碎機(jī)工作時(shí)由推力板和物料產(chǎn)生的強(qiáng)大擠壓力，受力情況較為復(fù)雜。由于動(dòng)顎板所受壓力由動(dòng)顎板擠壓物料的運(yùn)動(dòng)引起，因此動(dòng)顎板的運(yùn)動(dòng)成為影響顎板受力的關(guān)鍵因素之一[6]。

圖3 動(dòng)顎體

2 焊接構(gòu)件疲勞分析

2.1 有限元模型及靜強(qiáng)度計(jì)算

由于動(dòng)顎上的工作阻力即破碎力是從零變到最大，再?gòu)淖畲笞兊搅?，最大值發(fā)生在偏心軸轉(zhuǎn)角為160°時(shí)。從進(jìn)料口向排料口方向，破碎力是隨破碎腔的高度而變化的，因此，顎式破碎機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中，破碎力可看作為脈動(dòng)循環(huán)載荷，故將此載荷分成五段恒定載荷，其數(shù)值就是此破碎力的最大值[7]。

破碎力的計(jì)算方法：

max=0.1(1)

式(1)中，為破碎腔的高度，cm；為破碎腔的長(zhǎng)度，cm；為襯板單位面積上的平均壓力，MPa。

由以上公式可以算出型號(hào)為PE-1200X150破碎機(jī)的最大破碎力為9 000 kN。

一要拓展融合內(nèi)涵。在把握經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展契機(jī)，實(shí)現(xiàn)人民防空“戰(zhàn)時(shí)能力強(qiáng)”的基礎(chǔ)上，更好地發(fā)揮人防建設(shè)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)和促進(jìn)作用，更大限度地體現(xiàn)“平時(shí)作為大”。充分發(fā)掘人民防空自身潛力，利用人民防空組織指揮、防護(hù)工程、通信保障、專業(yè)力量體系完善的優(yōu)勢(shì)，積極主動(dòng)融入城市應(yīng)急體系，充分發(fā)揮人民防空平臺(tái)作用，在節(jié)約資源、改善環(huán)境、完善城市功能、提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)等方面提供服務(wù)。

采用Solidworks 2009 Simulation對(duì)焊接動(dòng)顎的7處焊縫在不同狀況下的受力狀況進(jìn)行分析，如圖4所示。動(dòng)顎體的鋼筒材料為ZG270-500，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，其余都為Q235A，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.33。采用三維實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)考慮到動(dòng)顎結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需對(duì)局部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，得到動(dòng)顎體有限元模型，如圖5所示。

圖4 動(dòng)顎焊縫

圖5 動(dòng)顎體有限元模型

通過對(duì)不同鋼板和肋板、鋼管和鋼板、鋼管和肋板之間的焊縫按不同的5種尺寸進(jìn)行分析，將焊縫缺陷簡(jiǎn)化為對(duì)焊縫寬度的評(píng)價(jià)，得到不同情況下的應(yīng)力結(jié)果。焊縫尺寸如圖6所示，應(yīng)力結(jié)果見表1。

圖6 焊縫尺寸

表1 焊縫寬度與最大應(yīng)力關(guān)系表

編號(hào)焊縫寬度H/mm焊縫寬度L/mm最大miss應(yīng)力/MPa 12534180.5 22738176.2 32942171.1 43146166.9 53350161.7

從表1中可以看出，適當(dāng)?shù)卦龃蠛缚p寬度將有利于降低等效應(yīng)力，提高等效應(yīng)變，減少屈服區(qū)域。焊縫寬度是影響焊縫質(zhì)量的重要因素之一。在金屬焊接過程中，焊縫過寬、焊角尺寸過大，不但使焊接接頭受熱程度嚴(yán)重，引起焊縫晶粒粗大，塑性、韌性下降，而且浪費(fèi)材料，增加成本；反之，焊縫過窄、焊角尺寸過小，母材與焊縫之間可能引起應(yīng)力集中，同時(shí)還容易使焊縫產(chǎn)生咬邊、裂紋等缺陷，影響接頭強(qiáng)度，因此正確確定焊縫寬度對(duì)于保證焊接質(zhì)量十分關(guān)鍵。

2.2 焊縫疲勞壽命計(jì)算

疲勞損傷的定義是受損物體在交變載荷作用下價(jià)值或用途減小。其物理解釋通常是將損傷概念與失去完整性相聯(lián)系，如形成微觀裂紋、物理性能下降等[8]。

材料抗疲勞能力的主要指標(biāo)之一是材料的疲勞壽命，如果將不同疲勞強(qiáng)度用圖形來表示，就可以得到材料的疲勞曲線。疲勞曲線是表示應(yīng)力范圍(或最大應(yīng)力、應(yīng)力幅)與疲勞壽命之間關(guān)系的曲線，簡(jiǎn)稱S-N曲線。疲勞壽命計(jì)算還需要載荷的變化歷程和材料性能參數(shù)。載荷變化歷程采用標(biāo)準(zhǔn)的正弦時(shí)間曲線與應(yīng)力幅結(jié)合作用在焊接構(gòu)件上，材料性能參數(shù)采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7608進(jìn)行鋼材或鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的疲勞分析。在ANSYS的高級(jí)疲勞包FE-SAFE中查得Q235曲線值，見表2。

表2 Q235的S-N曲線值

編號(hào)循環(huán)次數(shù)交變應(yīng)力/MPa 12 000441 210 000262 320 000214 4100 000138 5200 000114 61 000 00086.2

從顎式破碎機(jī)的工況來看，其應(yīng)力循環(huán)比為0。在Simulation進(jìn)行疲勞分析時(shí)，插值求得其破壞循環(huán)數(shù)。圖7為焊縫寬度為27 mm×38 mm時(shí)疲勞壽命云圖。焊接構(gòu)件的加強(qiáng)板與鋼板連接處，由于受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的反復(fù)作用，因此損傷最大、壽命最短。在不同焊縫寬度條件下，焊縫越寬損傷程度越低，壽命越長(zhǎng)。

圖7 計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

[1] 許占民,艾爾肯·艾海提,王國(guó)博,等.BS105型顎式破碎機(jī)動(dòng)顎支架有限元分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新2010(1):100-101.

[2] 郎寶賢.顎式破碎機(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].礦山機(jī)械,2004,33(1):9-10.

[3] 郭衛(wèi),佟占勝.焊接構(gòu)件虛擬疲勞仿真分析[J].重型機(jī)械,2008(3):52-55.

[4] 張珂,劉佳男,楊昌明.復(fù)擺顎式破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真及有限元分析[J].煤礦機(jī)械,2008(10):69-71.

[5] 曹進(jìn)喜,容幸福,楊世春.顎式破碎機(jī)顎板受力分布模型[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(12):66-81.

[6] 嚴(yán)凡濤,饒綺麟,楊樹亮.基于均勻化的動(dòng)顎體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].礦冶,2009,18(3):84-87.

[7] 陳紅江.ADAMS在顎式破碎機(jī)優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].CAD／CAM與制造業(yè)信息化,2005(11):40-43.

[8] 余壽文,馮西橋.損傷力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.