大型環(huán)狀零件支撐裝置設(shè)計研究-五稿.docx

大型環(huán)狀零件支撐裝置設(shè)計研究北京物資學(xué)院 王成林 孫偉琛 摘要機械零件的精度在一定程度上決定了機械系統(tǒng)能否正常工作。在某些條件下，機械零件受到外力作用下可能會發(fā)生變形、斷裂導(dǎo)致失效。通過有限元分析了大型環(huán)裝零件無支撐裝置存放時的受力情況，得出薄壁零件的底部和兩側(cè)出現(xiàn)了應(yīng)力集中，給出了存儲時應(yīng)該進行支撐的零件參數(shù)要求。通過分析現(xiàn)有支撐方法的不足，設(shè)計了一種大型環(huán)裝零件支撐裝置，并給出了針對大型圓環(huán)形零件的支撐方式和支撐力制定原則。通過有限元仿真分析，使用支撐裝置支撐后的零件兩側(cè)最大應(yīng)力值減小約75.2%，效果良好。1 引言機械零件的精度是否符合要求在一定程度上決定了機械系統(tǒng)能否正常工作。對于一些大型重型零件，零件在存放時由于受到重力作用會產(chǎn)生形變，當零件的形變超出零件的彈性形變極限時，零件會產(chǎn)生無法恢復(fù)的塑性形變，這樣就會對零件的尺寸產(chǎn)生影響。已經(jīng)發(fā)生塑性變形零件的在安裝使用后可能會導(dǎo)致機械系統(tǒng)精度降低，甚至無法正常運行。因此，在零件存放的過程中，需要對零件加以保護、支撐，防止其產(chǎn)生過大的形變而影響零件的使用。2 大型環(huán)裝零件存儲失效分析零件的失效一般是指零件由于某種原因?qū)е铝慵男螤睢⒊叽?、性能等發(fā)生變化而不能完成其特定功能的現(xiàn)象。常見的零件失效形式可有彈性變形、塑性變形、塑性斷裂、疲勞斷裂、腐蝕失效、蠕變失效等。彈性變形是指材料在外力作用下產(chǎn)生變形，如果此變形在外力消失后即可消失，使材料能完全恢復(fù)至原來性質(zhì)，則為彈性變形。彈性變形的重要特征是其可逆性，即受力作用后產(chǎn)生變形，卸除載荷后，變形消失。塑性變形是指零件在外力的作用下產(chǎn)生變形，當施加的外力撤除或消失后該物體不能恢復(fù)原狀，此變形不消失，這種現(xiàn)象稱為塑性變形。塑性變形對零件的組織和性能影響很大，一般應(yīng)盡量避免零件產(chǎn)生塑性變形。疲勞斷裂是指零件在循環(huán)應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生累積損傷，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)突然發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。產(chǎn)生疲勞斷裂的應(yīng)力值小于材料強度極限，甚至在小于彈性極限時就有可能發(fā)生破壞。零件在工作過程中可能會與周圍工作介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)反應(yīng)，這可能會改變零件的材料與成分，從而造成零件發(fā)生破壞，稱為腐蝕失效。蠕變是指金屬材料在恒應(yīng)力長時間作用下而發(fā)生的塑性變形。蠕變可以在任何溫度范圍內(nèi)發(fā)生，它可發(fā)生于從絕對零度起直到熔點為止的整個溫度范圍內(nèi)，溫度越高，蠕變速度越快，變形更為明顯。蠕變是在應(yīng)力作用下出現(xiàn)的與時間有關(guān)的應(yīng)變。經(jīng)過一段時間后，蠕變可能以持久而結(jié)束，也叫蠕變斷裂。大型環(huán)裝零件裝置在存放的過程中可能有多種失效形式。在重力作用下，零件會受重力作用產(chǎn)生形變。當零件剛度較大時，零件形變量較小，產(chǎn)生彈性形變；當零件剛度比較小時，零件形變量過大，可能產(chǎn)生彈性形變和塑性形變。如果零件在存儲過程中發(fā)生滾動，則有可能會發(fā)生疲勞失效。同時，金屬零件在存儲的過程中可能會發(fā)生氧化、生銹等現(xiàn)象，發(fā)生腐蝕失效。在存放過程中，零件受長時間的恒應(yīng)力作用，會發(fā)生蠕變，產(chǎn)生塑性變形，更有可能發(fā)生蠕變失效。因此，大型環(huán)裝零件在存儲過程中發(fā)生的失效形式可能多種多樣，需要在實際問題中綜合考慮。3 無支撐裝置存儲條件下大型環(huán)裝零件受力分析為了研究大型環(huán)裝零件存儲過程的具體失效形式并解決其存儲中的失效問題，需要對大型環(huán)裝零件存儲過程中的狀態(tài)進行受力分析。由于零件的尺寸較大，為了節(jié)省空間以及方便存取，零件在存儲時一般以豎直方向放置進行存儲，如圖1所示。圖1 無支撐裝置條件下零件的存儲方式及零件主要尺寸示意圖利用ansys有限元分析軟件對外徑8000mm，厚度20mm，材料為45鋼的大型環(huán)裝零件進行靜力學(xué)分析，其求解應(yīng)力云圖如圖2所示。 圖2 外徑8000mm，厚度20mm的大型環(huán)裝零件無支撐放置應(yīng)力云圖由應(yīng)力云圖可知，零件無支撐裝置直接放置時，零件的應(yīng)力極值出現(xiàn)在零件與地面接觸處（圖中紅色區(qū)域），這是由零件的重力在接觸處產(chǎn)生的應(yīng)力和零件整體變形在底部產(chǎn)生的應(yīng)力造成的。在零件的中部兩側(cè)也存在應(yīng)力值較大的區(qū)域（圖中兩側(cè)綠色區(qū)域），這是由于零件上部受重力影響，在兩側(cè)產(chǎn)生較大的重力矩和剪力，因此在該區(qū)域產(chǎn)生了較大的應(yīng)力。在極值點如果應(yīng)力值較大，會使零件產(chǎn)生無法恢復(fù)的塑性變形，導(dǎo)致零件失效。各厚度零件無支撐裝置直接放置時底部產(chǎn)生的最大應(yīng)力如表1所示：表1 外徑8000零件無支撐裝置放置條件下應(yīng)力值表外徑/mm厚度/mm最大應(yīng)力值/mpa兩側(cè)應(yīng)力極值/mpa8000108184091564828820490218254492003039317435383170根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制不同規(guī)格零件無支撐狀態(tài)最大應(yīng)力值圖，如圖3所示。圖3 外徑8000零件無支撐裝置直接放置時應(yīng)力值圖由圖3分析可知：外徑不變的情況下，環(huán)形零件厚度降低，最大應(yīng)力值與兩側(cè)應(yīng)力增大。由于零件的最大應(yīng)力值是由重力的大小及零件的剛度決定的，而當零件厚度增加時，零件總體質(zhì)量增加，重力增大，同時，零件剛度增大。由于重力增大速率小于剛度增加速率，而且兩者均為非線性增長，因此，零件內(nèi)部的最大應(yīng)力值與兩側(cè)應(yīng)力值呈現(xiàn)隨零件厚度增加非線性遞減的規(guī)律。4大型環(huán)裝零件支撐裝置設(shè)計現(xiàn)有對大型環(huán)狀零件的支撐方法通常是在零件環(huán)形內(nèi)周灌裝水泥，利用水泥塊對零件進行支撐，但是這種方法具有額外增加零件重量、搬運不便的缺點。另一種常用方法是在零件環(huán)形內(nèi)周簡單的安裝1個千斤頂，千斤頂位于環(huán)形零件直徑位置，利用千斤頂?shù)捻敆U和底座與零件的接觸實現(xiàn)對零件的支撐，但是這種方法使零件在一個直徑方向的兩個點受力，零件受力不均勻，千斤頂?shù)呢撦d會使零件產(chǎn)生二次形變。因此現(xiàn)有的大型環(huán)狀零件支撐方法無法滿足受力均勻、搬運方便、可重復(fù)利用的要求。在對現(xiàn)有方案進行分析后，設(shè)計了一種新型的大型環(huán)裝零件支撐裝置，裝置包括支撐機構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。如圖4所示，支撐機構(gòu)包括基座、電液千斤頂、分段支撐桿和接觸頭?；鶠檎噙呅苇h(huán)狀基座，即基座的正多邊形由多個邊板構(gòu)成，基座的每個邊板上設(shè)有徑向通孔，用來安裝電液千斤頂。為了提高基座的剛度和承載能力，在基座的環(huán)形內(nèi)側(cè)的相鄰兩個邊板上設(shè)有加強筋。圖4大型環(huán)裝零件支撐裝置支撐機構(gòu)示意圖1-接觸頭 2-分段支撐桿 3-電液千斤頂 4-基座如圖5所示，多個電液千斤頂?shù)挠透撞捎寐菟菽阜謩e固定安裝在基座的各個邊板上，電液千斤頂?shù)幕钊麠U通過螺紋依次連接個分段支撐桿和接觸頭，每個接觸頭外端均與環(huán)狀零件內(nèi)周接觸。圖5 千斤頂、接觸頭、分段支撐桿、基座裝配關(guān)系示意圖液壓系統(tǒng)采用現(xiàn)有的超高壓油泵站，該超高壓油泵站包括液壓泵、二位多通電磁換向閥、電動機和軟管。液壓泵的油口通過軟管與換向閥相連通，換向閥上的多通口通過軟管電液千斤頂?shù)挠透走B通。在液壓系統(tǒng)的作用下實現(xiàn)油缸的進油與出油，進而實現(xiàn)電液千斤頂?shù)纳鹋c下降?？刂葡到y(tǒng)包括多個傳感器和單片機系統(tǒng)，通過傳感器和單片機系統(tǒng)控制多個電液千斤頂活塞桿的起降與加載。接觸頭可以為組合結(jié)構(gòu)也可以為整體結(jié)構(gòu)。如圖6所示，當被支撐零件為剛度與質(zhì)量較小的薄壁零件時，接觸頭采用組合結(jié)構(gòu)，即接觸頭包括觸體、銷釘、觸頭和彈簧利用彈簧彈力支撐零件；當被支撐零件剛度較大時，則可直接做成整體結(jié)構(gòu)對零件加載?？梢栽诮佑|頭頂部安裝橡膠套，用來增大加載處受力面積，防止因應(yīng)力過大造成被支撐零件表面被壓潰，產(chǎn)生損壞。圖6 組合式接觸頭結(jié)構(gòu)示意圖5-觸體 6-銷釘 7-彈簧 10-橡膠套 11-觸頭如圖7所示，由于零件產(chǎn)生的應(yīng)力很大程度上由于重力和重力產(chǎn)生的變形引起的，所以在實際操作中，應(yīng)根據(jù)被支撐零件實際情況，設(shè)置底座，將安裝本支撐裝置后零件安裝在底座上，以減小應(yīng)力，并確保零件存放過程中的穩(wěn)定性。在零件與底座的接觸面上，可以設(shè)計橡膠墊，用來增大受力面積，減小應(yīng)力集中。對于尺寸和質(zhì)量大的零件，可以利用叉車或移動升降平臺將本支撐裝置提升到指定高度，輔助大型環(huán)狀零件支撐裝置的安裝。圖7對零件的支撐示意圖如圖8所示，由于環(huán)裝零件的外形、尺寸多種多樣，因此可以根據(jù)被支撐零件的外形自由確定電液千斤頂?shù)臄?shù)目及多個電液千斤頂?shù)陌惭b位置。圖8 對不同零件的支撐方案示意圖5 使用支撐裝置后的大型環(huán)裝零件受力分析支撐裝置的主要目的是通過對零件上部提供支撐，減小零件兩側(cè)應(yīng)力極值，放置該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生塑性變形。由于零件底部與地面接觸處的應(yīng)力極值為零件總體重力引起，不易使用支撐裝置減小，因此使用在零件底部安裝基座的方式增大受力面積，減小零件底部應(yīng)力集中?？紤]到零件在放置過程中，不能出現(xiàn)塑性變形，最大應(yīng)力值不能超過屈服極限；因此認為零件所受應(yīng)力極值大于約300mpa時，需要考慮對零件進行支撐，以防止零件發(fā)生塑性變形導(dǎo)致零件失效。考慮到仿真實驗與實際情況有一定誤差，根據(jù)圖3分析，當零件外徑為8000mm時，厚度小于20mm的零件應(yīng)當進行加載支撐。如圖9所示，通過對零件無支撐裝置存儲狀態(tài)的受力進行分析，確定支撐方案：在零件下部安裝基座，用來支撐零件整體重力，并使用v型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)零件的自定位，防止零件滾動產(chǎn)生疲勞失效；在零件內(nèi)部安裝支撐裝置，將支撐裝置與零件接觸點確定在無支撐裝置存儲狀態(tài)下應(yīng)力較小處，在支撐零件的同時防止局部應(yīng)力過大。圖9 圓環(huán)型零件的支撐方案示意圖由于支撐裝置的主要作用是提供向上的支撐力，以減小重力對零件的影響，因此支撐前要對零件的質(zhì)量和重力進行大致估算，以確定支撐力的大小。以上述幾種規(guī)格的零件為例，當零件直徑遠大于厚度時，零件的質(zhì)量m和重力g可由式1和式2計算： 式（1）式中d為圓環(huán)外徑，d為圓環(huán)厚度，l為圓環(huán)寬度，為材料密度。 式（2）根據(jù)圖15分析，位于上部的兩部電液千斤頂需支撐1/23/4的零件重量，取其中間值2/3，并由幾何關(guān)系確定每個電液千斤頂提供支撐力，如式3。 式（3）由式3可得出外徑8000mm時，各厚度零件千斤頂應(yīng)提供的支撐力大小，如表2所示。表2 零件的重力值和千斤頂加載值材料：45鋼 彈性模量：206gpa 屈服極限：355mpa 抗拉強度：600mpa 密度：7.85g/cm3外徑/mm寬度/mm厚度/mm質(zhì)量/kg重力/n每個千斤頂提供支撐力/n80001000101959191959047.211529392879313570.822039183839018094.422548984798822618.033058775858527141.643568576718331665.25取無支撐裝置狀態(tài)下內(nèi)部應(yīng)力較大的外徑8000mm，厚度10mm零件進行加載仿真分析，其幾何、材料參數(shù)、所加載荷如表2所示：根據(jù)上述參數(shù)利用ansys進行仿真分析，結(jié)果如圖10所示：圖10 外徑8000mm，厚度20mm的零件支撐后應(yīng)力云圖加載支撐后，各零件支撐前后最大應(yīng)力值如表3所示表3零件支撐前后兩側(cè)應(yīng)力極值及應(yīng)力減小百分比外徑/mm厚度/mm支撐前兩側(cè)應(yīng)力極值/mpa支撐后兩側(cè)應(yīng)力極值/mpa應(yīng)力減小百