【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 部設(shè)置由兩個(gè)螺 栓套組成的軸向間隙調(diào)整裝置，實(shí)現(xiàn)彈簧板的軸向竄動(dòng)量可調(diào)，安裝后結(jié)構(gòu)如圖 b)所示。安裝過程中彈簧板承受的緊固力僅來(lái)自兩個(gè)方面：振動(dòng)側(cè)壓塊的壓靠力 Fb 以及 Fb 產(chǎn)生的面摩擦力，抑制振動(dòng)側(cè)竄動(dòng)與翹動(dòng)；固定側(cè)壓塊的壓靠力 Fa 以及 Fa 產(chǎn)生的面摩擦力，抑制振動(dòng)側(cè)竄動(dòng)與翹動(dòng)。 Fa 與 Fb 的大小直接決定了彈簧板本身在振動(dòng)過程中發(fā)生的變形形式與應(yīng)力分布。 彈簧板材質(zhì)性能分析 彈簧板的材質(zhì)可根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的圖紙可知，長(zhǎng)短邊彈簧板材質(zhì)性能不一，通過查閱文獻(xiàn)可知：短邊彈簧板材質(zhì) 35CrMo；長(zhǎng)邊彈簧板材質(zhì) 45。其力學(xué)性能參河北聯(lián)合大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 數(shù)見表如下。 彈簧板材料力學(xué)性能 彈簧導(dǎo)向板的初始設(shè)計(jì)疲勞壽命應(yīng)為永久疲勞壽命。根據(jù)材料極限強(qiáng)度的近似關(guān)系法則可初步計(jì)算該長(zhǎng)、短邊彈簧板的拉壓、彎曲應(yīng)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(yīng)力： 294MPa，彎曲疲勞極限應(yīng)力： 421． 4Mpa；長(zhǎng)邊拉壓疲勞極限應(yīng)力： 180MPa，彎曲疲勞極限應(yīng)力： 258MPa。長(zhǎng)、短邊彈簧板在進(jìn)行上下振動(dòng)時(shí)，板身部位主要以拉伸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力為主，故其最小疲勞極限應(yīng)力為分析的校核標(biāo)準(zhǔn)，可 確定短邊的綜合應(yīng)力水平必須小于 294MPa；長(zhǎng)邊綜合應(yīng)力水平必須小于 180MPa。 彈簧板的力學(xué)仿真分析 根據(jù)彈簧板的實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)形式可建立三維彈簧板安裝結(jié)構(gòu)模型，如下圖 3 所示。 壓塊與彈簧板之間建立接觸對(duì)，模型中采用的單元型號(hào)為 Solide45／Contactl74／ Target95。計(jì)算工況以 Fa 與 Fb 分別為 40000N～ 160000N 等多種緊固力分配形式進(jìn)行仿真分析，同時(shí)考慮振幅水平處在 5mm 一 8mm(模擬實(shí)際安裝時(shí)由于水平對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)造成彈簧板在平衡位置時(shí)已處于 1～ 3mm 彎曲振幅狀態(tài)下的工作應(yīng) 力水平 )等振幅過量的異常工況進(jìn)行分析對(duì)照。其中 Fa 施加于固定壓塊外面，F(xiàn)b 施加于振動(dòng)壓塊的外面上，同時(shí)只主要為位移約束，直接施加予端面上。 短邊彈簧板三維結(jié)構(gòu)有限元模型 3 第 4 章 ［單擊此處鍵入 1 級(jí)標(biāo)題］ 11 下面僅列舉 Fa 為 160000N 且 Fb 為 160000N 工況分析結(jié)果，如下圖所示。 短邊彈簧板等效應(yīng)力分布云圖 通過逐個(gè)提取分析結(jié)果，可得短邊彈簧板的最高應(yīng)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(yīng)力曲線 由上圖可得如下主要結(jié)論： 1)最高應(yīng)力區(qū)主要 集中在短邊彈簧板的兩端固定臺(tái)的圓弧過渡區(qū)域，這與短邊彈簧板在生產(chǎn)過程中的實(shí)際斷裂部位完全一致； 2)短邊彈簧板的工作應(yīng)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(shì)逐步放緩；另外，當(dāng)兩端緊固力水平固定后，彈簧板的應(yīng)力水平隨振幅的河北聯(lián)合大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 增大呈線性增大趨勢(shì)。 結(jié)晶器導(dǎo)向系統(tǒng)的整體應(yīng)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(jié)晶器整體框架的溫度升高對(duì)導(dǎo)向彈簧板的工作應(yīng)力影響程度，采取對(duì) 10 根彈簧板的整個(gè)框架進(jìn)行三維模型的熱機(jī)耦合應(yīng)力分析，以模擬實(shí)際振動(dòng)框架在生產(chǎn)區(qū)域的熱變形對(duì)導(dǎo)向彈簧板的影響。根據(jù)實(shí)際框架的彈簧板安裝尺寸建立三維有限元模型，將振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行同效果簡(jiǎn)化，如下圖所示。 短邊為四根彈簧板的三維有限元模型 結(jié)晶器框架的溫度場(chǎng)分析的邊界條件分別以實(shí)測(cè)離線檢修區(qū)域的設(shè)備實(shí)際溫度水平 (23℃ )與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)設(shè)備內(nèi)的蒸汽溫度 (80℃ )為基準(zhǔn)，針對(duì)三維模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，通過溫度場(chǎng)分析結(jié)果進(jìn)而計(jì)算整體框架的熱應(yīng)力水平，同時(shí)附加振動(dòng)彈簧板的 5mm振幅盼彎曲應(yīng)力，分析結(jié)果如下圖所示。 短邊彈簧板等效應(yīng)力水平分布云圖 由上圖可知：短邊上側(cè)內(nèi)弧的圓弧過渡區(qū)應(yīng)力水平最高，可達(dá) 270MPa，遠(yuǎn)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(jí)標(biāo)題］ 13 度的相互拉拽應(yīng)力，即內(nèi)部約束力，造成彈簧板的工作應(yīng)力水平進(jìn)一步提高。故此可知，短邊四根彈簧板在實(shí)際工作時(shí)的應(yīng)力水平遠(yuǎn)大于 5mm 振幅造成彎曲應(yīng)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(jié) 通過本次分析結(jié)果我們得到如下主要結(jié)論： 1)緊固彈簧板的緊固力水平是影響彈簧板應(yīng)力水平的一個(gè)重要指標(biāo)，適當(dāng)降低緊固力在一定程度上可降低彈簧板的工作應(yīng)力水平，故此采用定矩緊固扳手進(jìn)行緊固，同時(shí)每個(gè)螺栓的緊固力水平不能高于 1100N? m，降低因過高的緊固力導(dǎo)致額外增大彈簧板工作應(yīng)力的可能； 2)確認(rèn)安裝時(shí)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(biāo)測(cè)試裝置，精確測(cè)量振動(dòng)臺(tái)安裝彈簧板的基準(zhǔn)面與固定臺(tái)基準(zhǔn)面之間的高度差、水平方向的相對(duì)距離等空間距離是否達(dá)標(biāo)； 3)調(diào)整鑄機(jī)主排風(fēng)機(jī)對(duì)結(jié)晶器區(qū)域的抽氣能力，及時(shí)抽去彎曲度扇形段區(qū)域內(nèi)淤積的高溫蒸汽，降低結(jié)晶器框架的工作溫度水平。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過采用以上措施，在最近幾個(gè)月沒有再發(fā)生異常斷裂事故，這說明本次分析結(jié)果所獲得改進(jìn)措施有效的提高了導(dǎo)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(dǎo)向裝置的可靠性研究提供良好的借鑒。 結(jié)晶器振動(dòng)液壓缸失效原因分析 結(jié)晶器振動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)分析 液壓振動(dòng)裝置主要由振動(dòng)底座、振動(dòng)液壓缸、振動(dòng)臺(tái)、緩沖彈簧、導(dǎo)向板彈簧、液壓動(dòng)力系統(tǒng)等組成。結(jié)晶器放入振動(dòng)臺(tái)后，由伺服閥控制液壓油的流向和流量推動(dòng)帶位置傳感器的振動(dòng)伺服液壓缸做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)振動(dòng)臺(tái)施加一個(gè)周期性的激勵(lì)力，使振動(dòng)臺(tái)按設(shè)定的振幅和頻率進(jìn)行受迫振動(dòng)。結(jié)晶器振動(dòng)液壓缸的振幅和頻率，將影響結(jié)晶器的振動(dòng)曲線；振動(dòng)液壓缸的動(dòng)、靜態(tài)性能，將直接影響結(jié)晶器振動(dòng)是否 良好，從而影響鑄坯的質(zhì)量。振動(dòng)液壓缸的動(dòng)、靜態(tài)性能包括啟動(dòng)壓力、動(dòng)摩擦力、幅頻特性、內(nèi)泄漏等，它們都與液壓缸的密封結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 結(jié)晶器振動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)如圖 1所示。結(jié)晶器振動(dòng)缸與普通缸結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)為方形。缸頭缸底均采用耳環(huán)安裝形式，這種安裝形式簡(jiǎn)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(nèi)螺紋方式與活塞桿連接。 河北聯(lián)合大學(xué)碩士學(xué)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(jié)晶器振動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)圖 結(jié)晶器振動(dòng)液壓缸具有低摩擦力、高頻響等特點(diǎn)，因此采用了與普通液壓缸不同的結(jié)構(gòu)。由于高速振動(dòng)的特性，該缸活塞采用間隙密封形式，減少活塞與缸體內(nèi)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(chǎn)生微小形變以減小活塞的內(nèi)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(cè)得活塞的位移做閉環(huán)控制，結(jié)晶器振動(dòng)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(hù)傳感器。缸底與缸頭各設(shè)一泄漏油口，排走 }1_{活塞桿腔通過伺服環(huán)泄漏過來(lái)的液壓油及缸頭、缸底與活塞桿往復(fù)摩擦產(chǎn)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(jìn)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(duì)液壓缸的壽命有較大影響，因此在缸頭部設(shè)計(jì)了壓力防塵器，靠不問斷地向防塵罩內(nèi)吹入高壓空氣以防止灰塵在往復(fù)振動(dòng)過程中被吸人缸體內(nèi)造成磨損。 結(jié)晶器振動(dòng)液壓缸失效形式分析 結(jié)晶振動(dòng)缸的工作環(huán)境非常惡劣，液壓缸的生產(chǎn)工藝 和使用環(huán)境對(duì)其使用壽命有很大的影響。通過對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)缸失效形式的統(tǒng)計(jì)，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(guān)鍵作用，也是導(dǎo)致液壓缸失效的常見原因。在工作過程中，密封與其他結(jié)構(gòu)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(wú)法保證正常作壓力。 第 4 章 ［單擊此處鍵入 1 級(jí)標(biāo)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(diǎn)：① 密封件本身的質(zhì)量問題；② 密封件的選用問題。因?yàn)橐簤焊椎墓ぷ鳝h(huán)境不同，對(duì)密封件有不同的要河北聯(lián)合大學(xué)碩士學(xué)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(zhì)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(jìn)入缸體后往往會(huì)加速密封件的磨損；④ 裝配前的清理工作。殘留在缸體內(nèi)壁的鐵屑、銹跡對(duì)油缸有非常大的危脅，不僅會(huì)使密封件劃傷，甚至?xí)瓊淄矁?nèi)壁而造成新液壓缸漏油而無(wú)法使用；⑤ 缸體及活塞桿的形位公差問題。缸體內(nèi)孔及活塞桿的直線度、圓度不能保證，都會(huì)在很大程度上影響密封件的使用壽命；⑥ 缸體內(nèi)壁及活塞桿外表面粗糙度問題。缸體內(nèi)壁過于粗糙必然會(huì)加速活塞密封磨損，活塞桿表 面粗糙度過低會(huì)加速缸頭桿密封的磨損。 2)防塵圈破壞 防塵圈雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卻起著不可缺少的作用。結(jié)晶振動(dòng)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(jié)晶振動(dòng)缸的一項(xiàng)重要結(jié)構(gòu)。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(jìn)入缸體內(nèi)部。絕大多數(shù)結(jié)晶振動(dòng)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(dòng)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(nèi)形成負(fù)壓腔，反而吸入更多的灰塵。為了解決這個(gè)問題，現(xiàn)在很多缸已經(jīng)采用壓力防塵結(jié)構(gòu)，即不斷 地向防塵罩內(nèi)吹人高壓過濾空氣，以避免灰塵進(jìn)入腔內(nèi)。防塵圈的破壞也受很多因素的影響：① 防塵圈本身的質(zhì)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(huì)加速其磨損；③ 工作環(huán)境。結(jié)晶振動(dòng)缸一般都處于高溫高頻振動(dòng)的環(huán)境下，因此對(duì)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(shí)會(huì)造成防塵圈周期性變形，因而會(huì)加速其失效。 3)缸體內(nèi)壁磨損 由于液壓缸對(duì)缸體的要求比較高，因此液壓缸內(nèi)孔的加工是整個(gè)液壓缸加工過程技術(shù)要求較高的工序。一般都采精鏜、滾壓 、珩磨等工藝來(lái)保證其表面粗糙度。缸體的失效形式一般有缸體內(nèi)壁生銹、缸體內(nèi)壁拉傷和缸體內(nèi)壁點(diǎn)蝕等。缸體內(nèi)進(jìn)人空氣和水時(shí)，缸體內(nèi)壁容易產(chǎn)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(nèi)孔配合不夠精確，或者缸體內(nèi)孔有橢圓時(shí)容易產(chǎn)生內(nèi)壁拉傷，出現(xiàn)條狀槽痕?；钊c缸體內(nèi)壁問壓力過大或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度過快則容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕，出現(xiàn)凹坑。缸體失效影響因素有以下幾點(diǎn)：① 密封不嚴(yán)。油液中進(jìn)入空氣，不僅會(huì)使缸體內(nèi)壁生銹，還會(huì)使活塞桿產(chǎn)生爬行、沖擊等行為；② 活塞桿受力不平衡?；钊麠U受力不在正中心會(huì)使活塞產(chǎn)生一定的傾斜，在振 動(dòng)過程中劃傷缸體；③ 缸體形位公差過大。缸體內(nèi)孔圓度、直線度不夠時(shí)容易產(chǎn)生局部拉傷；④ 密封件使用過第 4 章 ［單擊此處鍵入 1 級(jí)標(biāo)題］ 17 久?；钊芊馐褂脮r(shí)間太長(zhǎng)會(huì)磨損，可能會(huì)導(dǎo)致活塞直接與缸體內(nèi)壁接觸而產(chǎn)生劃傷。 4)活塞桿磨損 活塞桿是結(jié)晶振動(dòng)缸中最容易磨損失效的部件。因此在實(shí)際應(yīng)用中，常常會(huì)采取一些措施來(lái)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(chǎn)生了相對(duì)比較好的效果，但是高速振動(dòng)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(guān)：① 振動(dòng)頻率。結(jié)晶振動(dòng)缸振動(dòng)頻率一般為 1～ 5 Hz，相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dá) 900HV，而鍍陶瓷活塞桿表面硬度可達(dá) 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。活塞磨損主要是因?yàn)榕c密封件之間摩擦而產(chǎn)生的，因此密封件硬度過高會(huì)加速活塞桿的磨損；④ 溫度。密封件與活塞桿高速摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，溫度過高會(huì)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(nèi)表面磨損及緩沖閥失效等。上述任何一項(xiàng)制造不精或者使用不當(dāng)都會(huì)造成液壓缸提前失效而無(wú)法工作。 對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)液壓缸改進(jìn)措施 目前國(guó)內(nèi)工業(yè)應(yīng)用的大部分振動(dòng)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(jié)構(gòu)由于都選用了易變形的材料對(duì)液壓缸的間隙進(jìn)行填充，在油壓作用下密封材料會(huì)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(wú)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(dǎo)致這類密封型式的液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)過程中阻力較大，并且隨著油壓升高摩擦阻力會(huì)進(jìn)一步提高，這一特點(diǎn)使振動(dòng)液壓缸的響應(yīng)頻率、動(dòng)摩擦力、低速穩(wěn)定性等動(dòng)態(tài)性能大打折扣，同時(shí)在振動(dòng)液壓缸活塞頻繁運(yùn)動(dòng)摩擦作用下，密封材料和運(yùn)動(dòng)副容易損傷，密封效果下降，從而