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1、大型环状零件支撑装置设计研究北京物资学院 王成林 孙伟琛 摘要机械零件的精度在一定程度上决定了机械系统能否正常工作。在某些条件下，机械零件受到外力作用下可能会发生变形、断裂导致失效。通过有限元分析了大型环装零件无支撑装置存放时的受力情况，得出薄壁零件的底部和两侧出现了应力集中，给出了存储时应该进行支撑的零件参数要求。通过分析现有支撑方法的不足，设计了一种大型环装零件支撑装置，并给出了针对大型圆环形零件的支撑方式和支撑力制定原则。通过有限元仿真分析，使用支撑装置支撑后的零件两侧最大应力值减小约75.2%，效果良好。1 引言机械零件的精度是否符合要求在一定程度上决定了机械系统能否正常工作。对于一些
2、大型重型零件，零件在存放时由于受到重力作用会产生形变，当零件的形变超出零件的弹性形变极限时，零件会产生无法恢复的塑性形变，这样就会对零件的尺寸产生影响。已经发生塑性变形零件的在安装使用后可能会导致机械系统精度降低，甚至无法正常运行。因此，在零件存放的过程中，需要对零件加以保护、支撑，防止其产生过大的形变而影响零件的使用。2 大型环装零件存储失效分析零件的失效一般是指零件由于某种原因导致零件的形状、尺寸、性能等发生变化而不能完成其特定功能的现象。常见的零件失效形式可有弹性变形、塑性变形、塑性断裂、疲劳断裂、腐蚀失效、蠕变失效等。弹性变形是指材料在外力作用下产生变形，如果此变形在外力消失后即可消失
3、，使材料能完全恢复至原来性质，则为弹性变形。弹性变形的重要特征是其可逆性，即受力作用后产生变形，卸除载荷后，变形消失。塑性变形是指零件在外力的作用下产生变形，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状，此变形不消失，这种现象称为塑性变形。塑性变形对零件的组织和性能影响很大，一般应尽量避免零件产生塑性变形。疲劳断裂是指零件在循环应力的作用下，产生累积损伤，经过一定循环次数突然发生断裂的现象。产生疲劳断裂的应力值小于材料强度极限，甚至在小于弹性极限时就有可能发生破坏。零件在工作过程中可能会与周围工作介质发生化学或者电化学反应，这可能会改变零件的材料与成分，从而造成零件发生破坏，称为腐蚀失效。蠕变是
4、指金属材料在恒应力长时间作用下而发生的塑性变形。蠕变可以在任何温度范围内发生，它可发生于从绝对零度起直到熔点为止的整个温度范围内，温度越高，蠕变速度越快，变形更为明显。蠕变是在应力作用下出现的与时间有关的应变。经过一段时间后，蠕变可能以持久而结束，也叫蠕变断裂。大型环装零件装置在存放的过程中可能有多种失效形式。在重力作用下，零件会受重力作用产生形变。当零件刚度较大时，零件形变量较小，产生弹性形变；当零件刚度比较小时，零件形变量过大，可能产生弹性形变和塑性形变。如果零件在存储过程中发生滚动，则有可能会发生疲劳失效。同时，金属零件在存储的过程中可能会发生氧化、生锈等现象，发生腐蚀失效。在存放过程中
5、，零件受长时间的恒应力作用，会发生蠕变，产生塑性变形，更有可能发生蠕变失效。因此，大型环装零件在存储过程中发生的失效形式可能多种多样，需要在实际问题中综合考虑。3 无支撑装置存储条件下大型环装零件受力分析为了研究大型环装零件存储过程的具体失效形式并解决其存储中的失效问题，需要对大型环装零件存储过程中的状态进行受力分析。由于零件的尺寸较大，为了节省空间以及方便存取，零件在存储时一般以竖直方向放置进行存储，如图1所示。图1 无支撑装置条件下零件的存储方式及零件主要尺寸示意图利用ANSYS有限元分析软件对外径8000mm，厚度20mm，材料为45钢的大型环装零件进行静力学分析，其求解应力云图如图2所
6、示。 图2 外径8000mm，厚度20mm的大型环装零件无支撑放置应力云图由应力云图可知，零件无支撑装置直接放置时，零件的应力极值出现在零件与地面接触处（图中红色区域），这是由零件的重力在接触处产生的应力和零件整体变形在底部产生的应力造成的。在零件的中部两侧也存在应力值较大的区域（图中两侧绿色区域），这是由于零件上部受重力影响，在两侧产生较大的重力矩和剪力，因此在该区域产生了较大的应力。在极值点如果应力值较大，会使零件产生无法恢复的塑性变形，导致零件失效。各厚度零件无支撑装置直接放置时底部产生的最大应力如表1所示：表1 外径8000零件无支撑装置放置条件下应力值表外径/mm厚度/mm最大应力值
7、/MPa两侧应力极值/MPa8000108184091564828820490218254492003039317435383170根据表1数据绘制不同规格零件无支撑状态最大应力值图，如图3所示。图3 外径8000零件无支撑装置直接放置时应力值图由图3分析可知：外径不变的情况下，环形零件厚度降低，最大应力值与两侧应力增大。由于零件的最大应力值是由重力的大小及零件的刚度决定的，而当零件厚度增加时，零件总体质量增加，重力增大，同时，零件刚度增大。由于重力增大速率小于刚度增加速率，而且两者均为非线性增长，因此，零件内部的最大应力值与两侧应力值呈现随零件厚度增加非线性递减的规律。4大型环装零件支撑装置
8、设计现有对大型环状零件的支撑方法通常是在零件环形内周灌装水泥，利用水泥块对零件进行支撑，但是这种方法具有额外增加零件重量、搬运不便的缺点。另一种常用方法是在零件环形内周简单的安装1个千斤顶，千斤顶位于环形零件直径位置，利用千斤顶的顶杆和底座与零件的接触实现对零件的支撑，但是这种方法使零件在一个直径方向的两个点受力，零件受力不均匀，千斤顶的负载会使零件产生二次形变。因此现有的大型环状零件支撑方法无法满足受力均匀、搬运方便、可重复利用的要求。在对现有方案进行分析后，设计了一种新型的大型环装零件支撑装置，装置包括支撑机构、液压系统和控制系统。如图4所示，支撑机构包括基座、电液千斤顶、分段支撑杆和接触
9、头。基座为正多边形环状基座，即基座的正多边形由多个边板构成，基座的每个边板上设有径向通孔，用来安装电液千斤顶。为了提高基座的刚度和承载能力，在基座的环形内侧的相邻两个边板上设有加强筋。图4大型环装零件支撑装置支撑机构示意图1-接触头 2-分段支撑杆 3-电液千斤顶 4-基座如图5所示，多个电液千斤顶的油缸采用螺栓螺母分别固定安装在基座的各个边板上，电液千斤顶的活塞杆通过螺纹依次连接个分段支撑杆和接触头，每个接触头外端均与环状零件内周接触。图5 千斤顶、接触头、分段支撑杆、基座装配关系示意图液压系统采用现有的超高压油泵站，该超高压油泵站包括液压泵、二位多通电磁换向阀、电动机和软管。液压泵的油口通
10、过软管与换向阀相连通，换向阀上的多通口通过软管电液千斤顶的油缸连通。在液压系统的作用下实现油缸的进油与出油，进而实现电液千斤顶的升起与下降。控制系统包括多个传感器和单片机系统，通过传感器和单片机系统控制多个电液千斤顶活塞杆的起降与加载。接触头可以为组合结构也可以为整体结构。如图6所示，当被支撑零件为刚度与质量较小的薄壁零件时，接触头采用组合结构，即接触头包括触体、销钉、触头和弹簧利用弹簧弹力支撑零件；当被支撑零件刚度较大时，则可直接做成整体结构对零件加载。可以在接触头顶部安装橡胶套，用来增大加载处受力面积，防止因应力过大造成被支撑零件表面被压溃，产生损坏。图6 组合式接触头结构示意图5-触体
11、6-销钉 7-弹簧 10-橡胶套 11-触头如图7所示，由于零件产生的应力很大程度上由于重力和重力产生的变形引起的，所以在实际操作中，应根据被支撑零件实际情况，设置底座，将安装本支撑装置后零件安装在底座上，以减小应力，并确保零件存放过程中的稳定性。在零件与底座的接触面上，可以设计橡胶垫，用来增大受力面积，减小应力集中。对于尺寸和质量大的零件，可以利用叉车或移动升降平台将本支撑装置提升到指定高度，辅助大型环状零件支撑装置的安装。图7对零件的支撑示意图如图8所示，由于环装零件的外形、尺寸多种多样，因此可以根据被支撑零件的外形自由确定电液千斤顶的数目及多个电液千斤顶的安装位置。图8 对不同零件的支撑
12、方案示意图5 使用支撑装置后的大型环装零件受力分析支撑装置的主要目的是通过对零件上部提供支撑，减小零件两侧应力极值，放置该部位产生应力集中，发生塑性变形。由于零件底部与地面接触处的应力极值为零件总体重力引起，不易使用支撑装置减小，因此使用在零件底部安装基座的方式增大受力面积，减小零件底部应力集中。考虑到零件在放置过程中，不能出现塑性变形，最大应力值不能超过屈服极限；因此认为零件所受应力极值大于约300MPa时，需要考虑对零件进行支撑，以防止零件发生塑性变形导致零件失效。考虑到仿真实验与实际情况有一定误差，根据图3分析，当零件外径为8000mm时，厚度小于20mm的零件应当进行加载支撑。如图9所
13、示，通过对零件无支撑装置存储状态的受力进行分析，确定支撑方案：在零件下部安装基座，用来支撑零件整体重力，并使用V型结构实现零件的自定位，防止零件滚动产生疲劳失效；在零件内部安装支撑装置，将支撑装置与零件接触点确定在无支撑装置存储状态下应力较小处，在支撑零件的同时防止局部应力过大。图9 圆环型零件的支撑方案示意图由于支撑装置的主要作用是提供向上的支撑力，以减小重力对零件的影响，因此支撑前要对零件的质量和重力进行大致估算，以确定支撑力的大小。以上述几种规格的零件为例，当零件直径远大于厚度时，零件的质量M和重力G可由式1和式2计算： 式（1）式中d为圆环外径，d为圆环厚度，L为圆环宽度，为材料密度。
14、 式（2）根据图15分析，位于上部的两部电液千斤顶需支撑1/23/4的零件重量，取其中间值2/3，并由几何关系确定每个电液千斤顶提供支撑力，如式3。 式（3）由式3可得出外径8000mm时，各厚度零件千斤顶应提供的支撑力大小，如表2所示。表2 零件的重力值和千斤顶加载值材料：45钢 弹性模量：206GPa 屈服极限：355MPa 抗拉强度：600MPa 密度：7.85g/cm3外径/mm宽度/mm厚度/mm质量/kg重力/N每个千斤顶提供支撑力/N80001000101959191959047.211529392879313570.822039183839018094.422548984798
15、822618.033058775858527141.643568576718331665.25取无支撑装置状态下内部应力较大的外径8000mm，厚度10mm零件进行加载仿真分析，其几何、材料参数、所加载荷如表2所示：根据上述参数利用ANSYS进行仿真分析，结果如图10所示：图10 外径8000mm，厚度20mm的零件支撑后应力云图加载支撑后，各零件支撑前后最大应力值如表3所示表3零件支撑前后两侧应力极值及应力减小百分比外径/mm厚度/mm支撑前两侧应力极值/MPa支撑后两侧应力极值/Mpa应力减小百分比8000202185475.2%由表3可知，使用支撑装置加载后，零件的内部最大应力值减小了约75.2%，效果良好。6 结论大型环状零件在无支撑装置的存放条件下，零件内部会产生很大的应力，从而使零件产生变形，严重情况下会产生塑形变形，引起零件失效。而现有的支撑方式又存在诸多不足。通过设计一种大型环状零件支撑装置，提供了一种大型环状零件存放时的支撑方案。经过ANSYS有限元静力学分析，通过使用该支撑装置，可以大幅减小零件存放时两侧产生的应力极值，改善零件受力情况。
