徑鍛機浮動盤斷裂有限元分析

何雪龍，蘇建婷，常瀟源，黃艷龍，仲世斌

（蘭州蘭石集團有限公司，甘肅 蘭州 730314）

鍛造行業(yè)屬于基礎(chǔ)制造行業(yè)，汽車工業(yè)、建筑機械、采礦機械、運輸機械等的發(fā)展都離不開鍛造行業(yè)的發(fā)展。隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，鍛造裝備技術(shù)水平近年也有很大提高，但與發(fā)達國家相比還處于落后狀態(tài)。徑向鍛機[1]是集機電液一體化的現(xiàn)代化鍛造設(shè)備，可極大改善勞動條件，減輕勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，使鍛造環(huán)境發(fā)生根本轉(zhuǎn)變，對促進我國重大裝備制造業(yè)的技術(shù)進步和大型鍛壓裝備的產(chǎn)業(yè)化，解決徑向鍛機長期依賴進口、全面提升我國大型裝備制造業(yè)總體水平具有重大戰(zhàn)略意義。

蘭石集團在致力于新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝研發(fā)、設(shè)計、引進、吸收、消化和應用的同時，始終將注意力集中在打造品質(zhì)，優(yōu)化設(shè)備關(guān)鍵件上，特別是著重于對易損件浮動盤的研究。目前GFM、MEER 等進口設(shè)備的浮動盤正常使用壽命可達10 年左右，而我們自己設(shè)計加工的備件僅勉強達到1 年的壽命。為此，公司針對此“卡脖子”技術(shù)進行深入研究分析，并在設(shè)備上試驗驗證，最終使其壽命達到3 年以上，保證了國內(nèi)首臺套出口1.6MN 徑鍛機的整機壽命和品質(zhì)。

1 浮動盤在徑向鍛機上的應用

1.1 浮動盤的功用

徑鍛機主機[2]主要由齒輪箱和鍛造箱組成，其中鍛造箱是徑鍛機向工件實施鍛打的工作單元，是徑鍛機的核心部件。而浮動盤是將電機輸出扭矩傳遞到偏心軸，最終實現(xiàn)周期鍛打，是鍛造箱動力輸送的關(guān)鍵部位，承受著較大的交變載荷，其壽命長短影響整個機組的使用效率；同時它也是整個機組中的機械保護點，即設(shè)備超載時，浮動盤斷裂，從而達到保護電機和鍛打單元的目的。如圖1 所示。

圖1 安裝示意圖

1.2 實際工況

以1.6MN 徑鍛機為例，十字浮動盤連接著齒輪和飛輪，并與其一起回轉(zhuǎn)傳遞運動。該設(shè)備每分鐘鍛打620 次，在錘頭鍛打鍛件時，浮動盤受到?jīng)_擊載荷，在工作中始終處于交變載荷的作用下，對于浮動盤的強度要求非常高，然而為了保護機組內(nèi)的其他設(shè)備的安全性，又不能無限制的提升浮動盤的強度，需要尋找浮動盤可承受的最大載荷。

國內(nèi)徑向鍛機在服役過程中，浮動盤作為易損件，使用壽命基本在12 個月左右，如果斷裂進行更換，一般需要20 天到1 個月左右，嚴重影響了機組的使用效率，增加了使用成本?；诖?，蘭石集團利用自主研發(fā)的十字浮動盤，經(jīng)過結(jié)構(gòu)、材料、熱處理等優(yōu)化，以及對斷裂的浮動盤進行有限元分析，經(jīng)過多次試驗驗證，使得蘭石集團制造的浮動盤壽命達到3 年以上，大大提高了設(shè)備的使用效率，降低了維修成本。

2 浮動盤斷裂分析

蘭石集團鑄鍛公司1.6MN 徑鍛機在連續(xù)使用半年后，在生產(chǎn)一批材質(zhì)為40CrNiMoA 的產(chǎn)品時，出現(xiàn)故障停機，開箱檢查發(fā)現(xiàn)浮動盤斷裂（圖2），斷口較平齊，無明顯塑性變形，為脆性斷裂斷口。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，斷口為典型的疲勞斷口，疲勞源為加工尖角應力集中處。

圖2 浮動盤斷裂視圖

通過分析，我們對浮動盤的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，從最初的半圓型抗磨塊改為卡板式。通過結(jié)構(gòu)修改，使浮動盤本體加工量更小，優(yōu)化了應力集中點；同時修改了浮動盤材料，將原來的40CrNi2Mo 改為38Cr-MoAl,使浮動盤熱處理后效果更好，性能更優(yōu)。經(jīng)過大量試驗后，應用于某1.6MN 徑鍛機上，目前已使用超過3 年，無故障。

3 ANSYS 有限元分析[3]

3.1 建模

如圖3 所示，以蘭石集團生產(chǎn)的1.6MN 徑鍛機為例[4]，在主動軸上有恒定的扭轉(zhuǎn)速度154.985rad/s，整體施加重力加速度，在錘頭上施加1.6MN 作用力。為了模擬實際作用力，力的施加是一個線性變化的過程，錘頭鍛壓一次用時0.04055s，當錘頭從最高位置下壓到最低位置用時0.02027s，所以在錘頭下壓過程中受到逐漸變大的作用力，當錘頭上升時無作用力。

圖3 工況示意圖

在剛體分析之后，得出主動軸的最大扭矩為4521600 N·mm。在后續(xù)靜力分析和動力分析中，將扭矩等效成面作用力，在浮動盤上面作用力為3.855MPa。浮動盤連接飛輪的面上限制位移。具體工況施加如圖4 所示。

圖4 工況邊界施加示意圖

如圖5 所示，此次分析中，浮動盤的網(wǎng)格劃分采用ANSYS MESH 功能[5]，以六面體單元主導的網(wǎng)格類型，采用曲率高級算法進行網(wǎng)格劃分。在浮動盤關(guān)鍵部位，精細化網(wǎng)格，避免因網(wǎng)格質(zhì)量導致結(jié)果錯誤。

圖5 網(wǎng)格劃分示例

在旋轉(zhuǎn)連接部位設(shè)置為相互旋轉(zhuǎn)連接，在存在相互平移的接觸上設(shè)置為平面連接，在固定連接部位設(shè)置為綁定連接形式。為了盡可能滿足仿真與實際工況的吻合，在各裝配部件的接觸部位進行了接觸建模，接觸類型選擇綁定接觸。

3.2 靜力分析結(jié)果

圖6 為浮動盤的靜力分析等效應力云圖，浮動盤的應力遠小于徑鍛機工作時產(chǎn)生的835MPa 的力。所以結(jié)構(gòu)是安全的。

圖6 浮動盤靜力分析應力云圖

3.3 振動分析結(jié)果

徑鍛機錘擊的頻率按照點擊轉(zhuǎn)動速度來計算，周期t=60/1480s，f=1/T=24.666Hz。從分析結(jié)果來看（表1），浮動盤前六階固有頻率因無約束均接近0，第七階固有頻率為最低頻率，最小為158.38Hz，遠大于錘擊的頻率24.666，所以不存在共振的影響。

表1 浮動盤振動頻率

3.4 顯式動態(tài)分析

圖7 是浮動盤具有旋轉(zhuǎn)速度的動態(tài)分析[6]結(jié)果，最大等效應力遠遠超出了屈服強度，浮動盤的應力最小為3803MPa。

圖7 浮動盤0.01ms 時等效應力云圖

從動態(tài)分析來看，動態(tài)的作用下結(jié)構(gòu)承受的應力非常大，所以在結(jié)構(gòu)裝配時，應該盡量避免動態(tài)沖擊的作用。

顯式動力分析結(jié)果中最大等效應力遠遠超出了屈服應力，原因有兩個方面：①模型邊界的處理問題，在實際工況中，浮動盤連接飛輪的接觸位置是旋轉(zhuǎn)運動的，而模型簡化時將浮動盤的一側(cè)設(shè)置為位移限制，導致動態(tài)旋轉(zhuǎn)作用下形成瞬間的沖擊速度較大，從而出現(xiàn)極大的應力；②結(jié)構(gòu)的原因，最大的應力出現(xiàn)在倒角的邊沿處，這樣的結(jié)構(gòu)形式在動載情況下，會出現(xiàn)極大的應力。

4 結(jié)束語

通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的浮動盤材質(zhì)滿足工況要求，在加工過程中需要優(yōu)化應力集中點。同時設(shè)備安裝是結(jié)構(gòu)整體的同步和對稱，對于徑鍛機浮動盤影響很大，如錘頭在鍛壓過程中，由于結(jié)構(gòu)裝配的精度和尺寸有差異，比如某一個錘頭較長，那么該錘頭承受的作用力會增大，從而導致浮動盤承受更大的扭矩，導致破壞。所以，要特別注意四個錘頭的對稱，保證鍛壓受力均勻。最后在結(jié)構(gòu)加工裝配時，應該盡量減小浮動盤與大齒輪和飛輪之間的間隙，避免動態(tài)沖擊的作用，沖擊作用下應力極大。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時調(diào)整加工工藝及裝配工藝后，目前浮動盤在徑鍛機上的使用壽命可以達到3年以上。