【文章內容簡介】 部設置由兩個螺 栓套組成的軸向間隙調整裝置，實現(xiàn)彈簧板的軸向竄動量可調，安裝后結構如圖 b)所示。安裝過程中彈簧板承受的緊固力僅來自兩個方面：振動側壓塊的壓靠力 Fb 以及 Fb 產生的面摩擦力，抑制振動側竄動與翹動；固定側壓塊的壓靠力 Fa 以及 Fa 產生的面摩擦力，抑制振動側竄動與翹動。 Fa 與 Fb 的大小直接決定了彈簧板本身在振動過程中發(fā)生的變形形式與應力分布。 彈簧板材質性能分析 彈簧板的材質可根據(jù)設計方提供的圖紙可知，長短邊彈簧板材質性能不一，通過查閱文獻可知：短邊彈簧板材質 35CrMo；長邊彈簧板材質 45。其力學性能參河北聯(lián)合大學碩士學位論文 10 數(shù)見表如下。 彈簧板材料力學性能 彈簧導向板的初始設計疲勞壽命應為永久疲勞壽命。根據(jù)材料極限強度的近似關系法則可初步計算該長、短邊彈簧板的拉壓、彎曲應力疲勞極限，分別如下：鋼材的拉壓疲勞極限σ 11≈ b，彎曲疲勞極限σ 1≈ b，基于此可知：短邊拉壓疲勞極限應力： 294MPa，彎曲疲勞極限應力： 421． 4Mpa；長邊拉壓疲勞極限應力： 180MPa，彎曲疲勞極限應力： 258MPa。長、短邊彈簧板在進行上下振動時，板身部位主要以拉伸應力與彎曲應力為主，故其最小疲勞極限應力為分析的校核標準，可 確定短邊的綜合應力水平必須小于 294MPa；長邊綜合應力水平必須小于 180MPa。 彈簧板的力學仿真分析 根據(jù)彈簧板的實際安裝結構形式可建立三維彈簧板安裝結構模型，如下圖 3 所示。 壓塊與彈簧板之間建立接觸對，模型中采用的單元型號為 Solide45／Contactl74／ Target95。計算工況以 Fa 與 Fb 分別為 40000N～ 160000N 等多種緊固力分配形式進行仿真分析，同時考慮振幅水平處在 5mm 一 8mm(模擬實際安裝時由于水平對標不準造成彈簧板在平衡位置時已處于 1～ 3mm 彎曲振幅狀態(tài)下的工作應 力水平 )等振幅過量的異常工況進行分析對照。其中 Fa 施加于固定壓塊外面，F(xiàn)b 施加于振動壓塊的外面上，同時只主要為位移約束，直接施加予端面上。 短邊彈簧板三維結構有限元模型 3 第 4 章 ［單擊此處鍵入 1 級標題］ 11 下面僅列舉 Fa 為 160000N 且 Fb 為 160000N 工況分析結果，如下圖所示。 短邊彈簧板等效應力分布云圖 通過逐個提取分析結果，可得短邊彈簧板的最高應力水平受緊固力以及振幅水平 (單邊振幅為 5mm／ 6mm／ 7mm／ 8mm)的影響十分明顯，由仿真分析可得如下的曲線。 仿真分析應力曲線 由上圖可得如下主要結論： 1)最高應力區(qū)主要 集中在短邊彈簧板的兩端固定臺的圓弧過渡區(qū)域，這與短邊彈簧板在生產過程中的實際斷裂部位完全一致； 2)短邊彈簧板的工作應力水平隨兩端的緊固力水平的增大而顯著增大，然而增大的趨勢逐步放緩；另外，當兩端緊固力水平固定后，彈簧板的應力水平隨振幅的河北聯(lián)合大學碩士學位論文 12 增大呈線性增大趨勢。 結晶器導向系統(tǒng)的整體應力分析 為了明確短邊彈簧板安裝后，由于工作環(huán)境溫度上升造成結晶器整體框架的溫度升高對導向彈簧板的工作應力影響程度，采取對 10 根彈簧板的整個框架進行三維模型的熱機耦合應力分析，以模擬實際振動框架在生產區(qū)域的熱變形對導向彈簧板的影響。根據(jù)實際框架的彈簧板安裝尺寸建立三維有限元模型，將振動臺進行同效果簡化，如下圖所示。 短邊為四根彈簧板的三維有限元模型 結晶器框架的溫度場分析的邊界條件分別以實測離線檢修區(qū)域的設備實際溫度水平 (23℃ )與實際生產時設備內的蒸汽溫度 (80℃ )為基準，針對三維模型進行溫度場分析，通過溫度場分析結果進而計算整體框架的熱應力水平，同時附加振動彈簧板的 5mm振幅盼彎曲應力，分析結果如下圖所示。 短邊彈簧板等效應力水平分布云圖 由上圖可知：短邊上側內弧的圓弧過渡區(qū)應力水平最高，可達 270MPa，遠高于 彈簧板正常受力的 149MPa，且短邊彈簧板每平行布置的兩根之間，存在一定程第 4 章 ［單擊此處鍵入 1 級標題］ 13 度的相互拉拽應力，即內部約束力，造成彈簧板的工作應力水平進一步提高。故此可知，短邊四根彈簧板在實際工作時的應力水平遠大于 5mm 振幅造成彎曲應力，這也是造成彈簧板斷裂的主要原因。 彈簧板斷裂研究總結 通過本次分析結果我們得到如下主要結論： 1)緊固彈簧板的緊固力水平是影響彈簧板應力水平的一個重要指標，適當降低緊固力在一定程度上可降低彈簧板的工作應力水平，故此采用定矩緊固扳手進行緊固，同時每個螺栓的緊固力水平不能高于 1100N? m，降低因過高的緊固力導致額外增大彈簧板工作應力的可能； 2)確認安裝時刻的彈簧板在振幅方向是否處于自由狀態(tài) (沒有在振幅方向的彎曲、拉伸等現(xiàn)象 )，可利用空間三維坐標測試裝置，精確測量振動臺安裝彈簧板的基準面與固定臺基準面之間的高度差、水平方向的相對距離等空間距離是否達標； 3)調整鑄機主排風機對結晶器區(qū)域的抽氣能力，及時抽去彎曲度扇形段區(qū)域內淤積的高溫蒸汽，降低結晶器框架的工作溫度水平。在生產現(xiàn)場通過采用以上措施，在最近幾個月沒有再發(fā)生異常斷裂事故，這說明本次分析結果所獲得改進措施有效的提高了導向彈簧板的服 役壽命與工作穩(wěn)定性，本次分析也為我公司類似導向裝置的可靠性研究提供良好的借鑒。 結晶器振動液壓缸失效原因分析 結晶器振動液壓缸結構分析 液壓振動裝置主要由振動底座、振動液壓缸、振動臺、緩沖彈簧、導向板彈簧、液壓動力系統(tǒng)等組成。結晶器放入振動臺后，由伺服閥控制液壓油的流向和流量推動帶位置傳感器的振動伺服液壓缸做往復運動，對振動臺施加一個周期性的激勵力，使振動臺按設定的振幅和頻率進行受迫振動。結晶器振動液壓缸的振幅和頻率，將影響結晶器的振動曲線；振動液壓缸的動、靜態(tài)性能，將直接影響結晶器振動是否 良好，從而影響鑄坯的質量。振動液壓缸的動、靜態(tài)性能包括啟動壓力、動摩擦力、幅頻特性、內泄漏等，它們都與液壓缸的密封結構密切相關。 結晶器振動液壓缸結構如圖 1所示。結晶器振動缸與普通缸結構相近似，主要由缸體、活塞和活塞桿、缸底、缸頭等部分組成 。為了安裝方便，缸體設計為方形。缸頭缸底均采用耳環(huán)安裝形式，這種安裝形式簡單可靠，能承受大的變載荷。底部法蘭采用焊接形式與方形連接板連接，頭部法蘭以內螺紋方式與活塞桿連接。 河北聯(lián)合大學碩士學位論文 14 1．缸頭耳環(huán) 2 缸頭 3．吏承環(huán) 4 缸頭法 Y： 5．缸體 6．活塞與活塞桿組件 7．缸底法 8．缸底 9．傳感器 10．耳環(huán)連接板 11．傳感器安裝罩 12．缸底耳環(huán) 13．防塵罩拉板 14．防塵罩 結晶器振動液壓缸結構圖 結晶器振動液壓缸具有低摩擦力、高頻響等特點，因此采用了與普通液壓缸不同的結構。由于高速振動的特性，該缸活塞采用間隙密封形式，減少活塞與缸體內擘的摩擦，且在活塞外表面焊了一層銅，改善其與缸體的磨損狀況?；钊膬啥嗣婢_有環(huán)形槽，通過高壓油使活塞邊產生微小形變以減小活塞的內泄漏?；钊麠U表面采用鍍陶瓷處理，以增加其硬度和耐磨性 ．為了測得活塞的位移做閉環(huán)控制，結晶器振動缸裝有位移傳感器裝于活塞 桿底部中心孔中，并與油源隔絕，以保護傳感器。缸底與缸頭各設一泄漏油口，排走 }1_{活塞桿腔通過伺服環(huán)泄漏過來的液壓油及缸頭、缸底與活塞桿往復摩擦產生的熱量，減少磨損。控制閥塊用螺釘直接連接在方形缸體表面上，高壓油由油口 A、 B 進入到壓力桿腔。由于該液壓缸的工作環(huán)境非常惡劣，灰塵大、污染重，對液壓缸的壽命有較大影響，因此在缸頭部設計了壓力防塵器，靠不問斷地向防塵罩內吹入高壓空氣以防止灰塵在往復振動過程中被吸人缸體內造成磨損。 結晶器振動液壓缸失效形式分析 結晶振動缸的工作環(huán)境非常惡劣，液壓缸的生產工藝 和使用環(huán)境對其使用壽命有很大的影響。通過對結晶器振動缸失效形式的統(tǒng)計，分析其主要失效形式與失效原因如下： 1) 密封件磨損 如圖 5 所示密封件在液壓缸中起著保持壓力的關鍵作用，也是導致液壓缸失效的常見原因。在工作過程中，密封與其他結構不斷摩擦并逐漸磨損，最終失去密封作用，而使液壓缸泄漏量過大而無法保證正常作壓力。 第 4 章 ［單擊此處鍵入 1 級標題］ 15 防塵圈破壞 活塞密封失效 影響液壓缸密封件工作壽命的原因主要有以下幾點：① 密封件本身的質量問題；② 密封件的選用問題。因為液壓缸的工作環(huán)境不同，對密封件有不同的要河北聯(lián)合大學碩士學位論文 16 求，在高壓環(huán)境下往往需 要耐高壓力，在腐蝕性介質中則需要耐腐蝕，而在沖擊較大的環(huán)境下則需要耐沖擊，在高溫環(huán)境中需要耐高溫等；③ 油液清潔問題。油液中的鐵屑、銹渣等沉淀物進入缸體后往往會加速密封件的磨損；④ 裝配前的清理工作。殘留在缸體內壁的鐵屑、銹跡對油缸有非常大的危脅，不僅會使密封件劃傷，甚至會拉傷缸筒內壁而造成新液壓缸漏油而無法使用；⑤ 缸體及活塞桿的形位公差問題。缸體內孔及活塞桿的直線度、圓度不能保證，都會在很大程度上影響密封件的使用壽命；⑥ 缸體內壁及活塞桿外表面粗糙度問題。缸體內壁過于粗糙必然會加速活塞密封磨損，活塞桿表 面粗糙度過低會加速缸頭桿密封的磨損。 2)防塵圈破壞 防塵圈雖然結構簡單，卻起著不可缺少的作用。結晶振動缸工作環(huán)境非常惡劣，空氣中的粉塵密度很高，因此防塵是結晶振動缸的一項重要結構。防塵圈裝在活塞桿出缸頭處，防止掉落在伸出活塞桿上的粉塵跟隨活塞桿縮回而進入缸體內部。絕大多數(shù)結晶振動缸除了安裝防塵圈外，都有防塵罩。傳統(tǒng)的防塵罩在油污、灰塵及高速振動的情況下不僅很容易被破裂損壞，而且在活塞桿外伸的過程中容易在防塵罩內形成負壓腔，反而吸入更多的灰塵。為了解決這個問題，現(xiàn)在很多缸已經(jīng)采用壓力防塵結構，即不斷 地向防塵罩內吹人高壓過濾空氣，以避免灰塵進入腔內。防塵圈的破壞也受很多因素的影響：① 防塵圈本身的質量問題；② 活塞桿的粗糙度。防塵圈在活塞桿上是有一定的壓力的，因此緊貼在活塞桿表面，粗糙度太高會加速其磨損；③ 工作環(huán)境。結晶振動缸一般都處于高溫高頻振動的環(huán)境下，因此對防塵圈有比較高的要求；④ 活塞桿的形位公差?；钊麠U的圓度、直線度等不夠時會造成防塵圈周期性變形，因而會加速其失效。 3)缸體內壁磨損 由于液壓缸對缸體的要求比較高，因此液壓缸內孔的加工是整個液壓缸加工過程技術要求較高的工序。一般都采精鏜、滾壓 、珩磨等工藝來保證其表面粗糙度。缸體的失效形式一般有缸體內壁生銹、缸體內壁拉傷和缸體內壁點蝕等。缸體內進人空氣和水時，缸體內壁容易產生銹蝕，由此增大與活塞問的摩擦而刮爛活塞密封?；钊c缸體內孔配合不夠精確，或者缸體內孔有橢圓時容易產生內壁拉傷，出現(xiàn)條狀槽痕。活塞與缸體內壁問壓力過大或者相對運動速度過快則容易產生點蝕，出現(xiàn)凹坑。缸體失效影響因素有以下幾點：① 密封不嚴。油液中進入空氣，不僅會使缸體內壁生銹，還會使活塞桿產生爬行、沖擊等行為；② 活塞桿受力不平衡。活塞桿受力不在正中心會使活塞產生一定的傾斜，在振 動過程中劃傷缸體；③ 缸體形位公差過大。缸體內孔圓度、直線度不夠時容易產生局部拉傷；④ 密封件使用過第 4 章 ［單擊此處鍵入 1 級標題］ 17 久。活塞密封使用時間太長會磨損，可能會導致活塞直接與缸體內壁接觸而產生劃傷。 4)活塞桿磨損 活塞桿是結晶振動缸中最容易磨損失效的部件。因此在實際應用中，常常會采取一些措施來增加活塞桿表面的硬度，如淬火、表面鍍鉻層、表面鍍陶瓷等。鍍層方式不僅可以提高活塞桿表面的耐磨性，還可以在磨損后重新鍍層，節(jié)約了維修成本。這些措施產生了相對比較好的效果，但是高速振動的活塞桿磨損依然是不可避免的?；钊麠U是否耐磨主要與以下因素 有關：① 振動頻率。結晶振動缸振動頻率一般為 1～ 5 Hz，相對運動線速度比較高，因此比較容易磨損；② 鍍層硬度。鍍鉻層活塞桿表面硬度可達 900HV，而鍍陶瓷活塞桿表面硬度可達 1200HV 以上，在很大程度上提高了活塞桿的耐磨性；③ 密封件硬度?；钊p主要是因為與密封件之間摩擦而產生的，因此密封件硬度過高會加速活塞桿的磨損；④ 溫度。密封件與活塞桿高速摩擦會產生熱量，溫度過高會使活塞桿表面組織軟化，從而加速摩損。 5)其他失效形式 除了上述幾種失效形式外，液壓缸還有其他失效形式，如活塞表面拉花 (主要為間隙密封 類 )、受力螺釘斷裂、活塞桿支承帶磨損、傳感器失效、伺服環(huán)內表面磨損及緩沖閥失效等。上述任何一項制造不精或者使用不當都會造成液壓缸提前失效而無法工作。 對結晶器振動液壓缸改進措施 目前國內工業(yè)應用的大部分振動液壓缸摩擦副均采用傳統(tǒng)橡膠、聚酯纖維、聚四氟乙烯、含合金成份合成材料等密封型式，形成高低壓油的分隔。這種密封結構由于都選用了易變形的材料對液壓缸的間隙進行填充，在油壓作用下密封材料會緊密貼合摩擦副零件表面的密封溝槽，密封效果好，基本可以做到靜態(tài)無泄漏，容積效率高。但由于密封材料與摩擦副零件表面 的貼合作用，導致這類密封型式的液壓缸活塞運動過程中阻力較大，并且隨著油壓升高摩擦阻力會進一步提高，這一特點使振動液壓缸的響應頻率、動摩擦力、低速穩(wěn)定性等動態(tài)性能大打折扣，同時在振動液壓缸活塞頻繁運動摩擦作用下，密封材料和運動副容易損傷，密封效果下降，從而