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某廠地下卷取機(jī)有三個(gè)助卷輥，在圓周方向均勻分布，其開合是由三個(gè)液壓缸分別控制助卷輥支臂的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際工作中，助卷輥支臂多處焊縫開裂，根據(jù)現(xiàn)場卷取X70管線鋼時(shí)進(jìn)行的測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，助卷輥承受的載荷最大，因此對助卷輥支臂進(jìn)行三維有限元分析。
助卷輥支臂的結(jié)構(gòu)和載荷均對稱于截面，因此從截面切開，取其1/2作為研究對象。由于支臂在工作過程中，兩邊用于裝定位銷的耳環(huán)及安裝導(dǎo)衛(wèi)板的托架不受力，因此將其省略，不會影響整個(gè)支臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。計(jì)算模型只選取原結(jié)構(gòu)的1/2，因此其對稱面上Z方向的位移為零，支臂懸掛在銷軸上，取與銷軸配合的圓柱面在X方向、Y方向的位移為零。卷取機(jī)卷取帶鋼時(shí)，助卷輥只在卷取帶鋼的頭部和尾部工作，即僅在卷頭和卷尾時(shí)對鋼卷施加力。通常狀態(tài)下，助卷輥在卷取尾部時(shí)施加的力最大，因此在計(jì)算中，采用在卷尾時(shí)的實(shí)際載荷進(jìn)行計(jì)算。由于助卷輥施加的力無法直接測量，將油缸工作時(shí)施加的力折算到助卷輥上，對于不同卷徑的鋼卷，助卷輥施加的力與油缸施加的力相對于固定銷軸的力臂比值不是恒定的，因此對于不同卷徑應(yīng)分別計(jì)算它們之間的力臂比值。計(jì)算載荷采用卷取X70，管線鋼時(shí)的最大載荷，卷取終止時(shí)鋼卷直徑為1900mm，對應(yīng)此卷徑和卷取機(jī)的初始狀態(tài)，用軟件找出助卷力與油缸驅(qū)動力分別對固定銷軸的力臂以及助卷力和油缸驅(qū)動力的方向。
由圖可知，油缸驅(qū)動力與助卷力相對于固定銷軸的力臂之比為125f，即助卷力為油缸驅(qū)動力的1256倍。據(jù)設(shè)計(jì)資料，現(xiàn)場測試中，助卷力最大時(shí)刻對應(yīng)的則油缸驅(qū)動力F=84399kN，助卷輥施加力由于計(jì)算模型只取原結(jié)構(gòu)的1/2，因此油缸驅(qū)動力與助卷力也只取其1/2，連桿的平面光彈性試驗(yàn)證明，油缸連桿施力沿耳環(huán)周向呈余弦分布。如圖所示，表面力F'作用在油缸耳環(huán)圓弧AB上，圓弧AB所張的圓心角，A,B兩點(diǎn)關(guān)于Y'軸(油缸驅(qū)動力方向)對稱，F(xiàn)'在圓弧AB上是按余弦規(guī)律分布的，即將pu分解到垂直與水平方向，計(jì)算其在角度內(nèi)的各分量總和PY,Px，分配到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。這樣，就可得到在圓弧AB上各節(jié)點(diǎn)處的表面力向量，助卷輥通過軸承座安裝在支臂上，助卷力的反作用力通過軸承座傳遞到支臂上，軸承座與支臂接觸處的尺寸。將助卷力的反作用力分解到X方向和Y方向上，圖中A面承受X方向的分力，B面承受Y方向的分力，兩者均可視作均布載荷。
三維有限元計(jì)算表明，整個(gè)結(jié)構(gòu)既存在三向受拉應(yīng)力狀態(tài)，又存在三向應(yīng)力其他狀態(tài).三向受拉區(qū)主要分布在支臂的后面板和油缸耳環(huán)背板，應(yīng)力值為200MPa左右，其最大值發(fā)生在耳環(huán)背板與支臂箱形梁面板的過渡區(qū)域，為27151MP。其他區(qū)域?yàn)榉侨蚴芾瓍^(qū)，等效應(yīng)力值大部分在100MPa以下，應(yīng)力較大的區(qū)域集中在油缸耳環(huán)筋板上，有很小一塊區(qū)域應(yīng)力超過225MP，在應(yīng)力集中處應(yīng)力值高達(dá)66459MPa卷取機(jī)在卷取過程中，助卷輥不參加工作；只有在卷頭和卷尾時(shí)，助卷輥施加助卷力。由現(xiàn)場測試卷取X70管線鋼情況知，在卷尾時(shí)每卷鋼對助卷輥平均拍打5次。因此，助卷輥支臂的受力實(shí)際上是一種脈動疲勞問題，應(yīng)按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。
循環(huán)次數(shù)按生產(chǎn)管線鋼計(jì)算，每卷鋼約重30t，每卷鋼對助卷輥的拍打平均為5次，因此其循環(huán)次數(shù)為10s，支臂受力狀況實(shí)際上是一個(gè)彎曲過程，因此應(yīng)取彎曲疲勞極限作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。助卷輥支臂主要是由兩種材料的鋼板焊接而成，支臂前后面板為16Mr，其余部位均為Q235A。材料的S-N曲線可表示為妙為循環(huán)次數(shù)；由有限元計(jì)算可知，助卷輥支臂的面板上既存在三向受拉應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域，又存在三向應(yīng)力其它狀態(tài)區(qū)域。在三向受拉區(qū)域，應(yīng)用其最大主應(yīng)力作為強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)，其最大值為271MPa，小于16Mr的彎曲疲勞極限，此區(qū)域是安全的。
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