酸軋線張力輥焊縫整圈脫位的分析與改進

酸軋線張力輥焊縫整圈脫位的分析與改進

1張力輥張力值的調(diào)控張力輥通常被稱為s輥。它的主要作用是利用帶鋼和張力輥之間的摩擦產(chǎn)生的“旋轉(zhuǎn)效應(yīng)”。另一方面，它可以獲得工藝所要求的張力值，另一方面，為了確保大規(guī)模生產(chǎn)的正常運行，可以調(diào)整每個技術(shù)段的張力值。某冷軋廠酸軋線上的張力輥在實際生產(chǎn)過程中,張力輥外側(cè)腹板與輥軸間的焊縫經(jīng)常出現(xiàn)整圈脫落,嚴重影響正常生產(chǎn)。為找出故障原因,對張力輥作三維有限元分析,以獲取焊縫處的準確應(yīng)力值,并提出改造方案。2張力輥模型的全球分析2.1焊縫與母材共混法首先對張力輥建立物理模型,在遵循保證計算精度同時考慮計算耗費原則的基礎(chǔ)上對模型作出如下簡化:將焊縫與母材作為整體,忽略部分倒角及圓角,坐標原點取在軸頸端面的中心上,X軸沿軸中心線方向,Y軸沿鉛垂方向,Z軸沿水平徑向?？紤]到張力輥的對稱性,直接在有限元分析程序中生成張力輥的軸截面,并劃分網(wǎng)格,然后旋轉(zhuǎn)生成整個張力輥的網(wǎng)格模型,如圖1所示。2.2限制和加載2.2.1節(jié)點施加徑向和軸向約束將張力輥簡化為簡支梁,結(jié)合簡支梁受力、變形情況,在左端軸承軸對稱面上半徑小于24mm(軸頸直徑?190)以內(nèi)的節(jié)點施加徑向和軸向約束,在右端軸承軸對稱面上半徑小于24mm以內(nèi)的節(jié)點施加徑向約束。2.2.2受制力的壓力帶鋼對張力輥的壓力均勻分布,比壓為p,設(shè)帶鋼張力為T(T取250kN),帶鋼寬度為b(1000～2080mm,考慮最惡劣的受力條件,計算時取為1000mm),包角為α(226.79度),帶鋼與X軸的夾角為θ;張力輥半徑為R(R=625mm),張力輥上包角α內(nèi)任意點與X軸正向的夾角為β,受力弧長為S,如圖2所示。則有:2Tcosθ=?ABpbcosβds(1)據(jù)此可求出張力輥帶鋼處的面壓力p(p=0.4MPa)。在有限元程序中施加約束與載荷后效果圖見圖3。3最大主應(yīng)力分析圖5和圖6分別顯示出張力輥的第一主應(yīng)力值(最大主應(yīng)力)云圖。分析結(jié)果顯示,張力輥焊縫應(yīng)力最大值在外側(cè)腹板與輥軸間的焊縫A處,該處第一主應(yīng)力(最大主應(yīng)力)σ1=51.588MPa,第三主應(yīng)力(最小主應(yīng)力)σ3=6.39MPa,可見該處的應(yīng)力狀態(tài)為三向受拉,應(yīng)按最大主應(yīng)力σ1進行強度分析;張力輥旋轉(zhuǎn)半周后A點即為旋轉(zhuǎn)前的B點,B點處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài),其第三主應(yīng)力σ3=-52.683MPa,大小與A點的第一主應(yīng)力相當,故張力輥危險焊縫處受到r=-1的對稱循環(huán)應(yīng)力作用。在以后的分析中只顯示第一主應(yīng)力的分布云圖。張力輥焊縫應(yīng)力最大值出現(xiàn)在外側(cè)腹板與輥軸間的焊縫1處,焊縫布置見圖4。4疲勞特性p—強度校核張力輥是由軸和鋼板焊接而成的,材料為Q235,應(yīng)力最大處的焊縫為對接接頭焊縫,材料的P-S-N曲線表述了在一定的置信度時應(yīng)力與疲勞壽命的對應(yīng)關(guān)系。古典的P—S—N曲線理論認為,應(yīng)力水平低于疲勞極限的應(yīng)力循環(huán)將不產(chǎn)生疲勞損傷?，F(xiàn)在不少試驗已證實,一旦在結(jié)構(gòu)或部件中萌生了裂紋,低于疲勞極限的應(yīng)力循環(huán)也能導(dǎo)致裂紋擴展,并產(chǎn)生疲勞損傷。張力輥焊縫低于疲勞極限的應(yīng)力循環(huán)在載荷譜中所占的百分比很高,為考慮低于疲勞極限應(yīng)力循環(huán)所引起的損傷,必須將P—S—N曲線作必要的修正。對小于疲勞極限部分的P—S—N曲線(對數(shù)曲線),用斜率為(bp-2)的斜線來代替原來的水平線(bp是原p—S—N曲線上應(yīng)力高于疲勞極限部分曲線的斜率)。該焊縫修正后的P—S—N曲線表達式分段表示為式(2)及式(3)。采取氣保焊與埋弧焊的焊接工藝,在置信度P為95%時,aP取13.1911,bP取-3.1915(應(yīng)力比r=0.1)。焊縫的P-S-N曲線如圖7所示;lgNp=ap+bplgσσ≥σ0.1(2)lgNp=ap+bplgσ0.1-(bp-2)(lgσ0.1-lgσ)σ<σ-1(3)式中Np——置信度為P時的疲勞壽命;σ——應(yīng)力幅的均值,單位為MPa;aρ,bp——與置信度、焊縫型式和焊接工藝有關(guān)的常數(shù)。帶鋼速度取300m/min,張力輥直徑?1250mm,每天工作時間按21小時、每年工作天數(shù)按320天計,則每年張力輥焊縫的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為3.08×107,以張力輥工作壽命按三年計,則焊縫應(yīng)力循環(huán)次數(shù)接近108,故循環(huán)次數(shù)為108時,取置信度P為95%,按修正后的P-S-N公式,分別計算得疲勞極限應(yīng)力與對應(yīng)的循環(huán)次數(shù),見表1。由表1可看出循環(huán)次數(shù)為108時,疲勞極限應(yīng)力為65.45MPa,但應(yīng)注意到此時疲勞極限為應(yīng)力比r=0.1時,而張力輥應(yīng)力狀態(tài)為應(yīng)力比r=-1的對稱循環(huán)應(yīng)力,根據(jù)經(jīng)驗公式,結(jié)構(gòu)鋼的對稱循環(huán)應(yīng)力疲勞極限σ-1與脈動循環(huán)應(yīng)力疲勞極限σ0之間的關(guān)系為σ?1=σ01.33=65.451.33=49.21σ-1=σ01.33=65.451.33=49.21MPa(4)而此時張力輥焊縫處應(yīng)力幅值52.683MPa,超過疲勞極限,導(dǎo)致焊縫處脫焊。5改造腹板軸徑根據(jù)張力輥受力情況,考慮導(dǎo)致焊縫處應(yīng)力較大的原因是張力輥整體剛度較小,腹板厚度較小,當處于工作狀態(tài)時,導(dǎo)致焊縫處應(yīng)力大,提出以下改造方案。將腹板處的輥軸軸徑由原?210mm加大為?410mm,軸承軸頸直徑不變,軸長度不變。圖8為改進后第一主應(yīng)力分布云圖。6改進后的結(jié)構(gòu)模型分析6.1建立有限子模型將工作坐標設(shè)為柱坐標,確定遠離應(yīng)力集中位置的切割面切割整體模型。子模型中考慮圓角R=20mm。6.2切割約束條件恢復(fù)在子模型中將切割邊界的節(jié)點取出,寫成節(jié)點文件,恢復(fù)整體模型,讀入節(jié)點文件,得到邊界處的插值文件,再恢復(fù)子模型,讀入插值文件,就得到切割邊界的約束條件。6.3切割位置的影響整體模型與子模型在切割位置的應(yīng)力分布狀態(tài)如圖9和圖10所示,由圖可以看出,整體模型與子模型在切割位置應(yīng)力分布趨勢相同,說明切割邊界和應(yīng)力集中區(qū)域的距離足夠遠,子模型的結(jié)果是可信的。改造方案比原始結(jié)構(gòu)的應(yīng)力降幅達20.452MPa(39.64%),使焊縫應(yīng)力遠小于疲勞極限應(yīng)力。7