某340矯直機上輥快開機構裂紋原因分析及預防措施

孫文濤

（太原重工股份有限公司軋鋼分公司，山西 太原 030024）

引言

矯直機本體由上輥調整裝置、上工作輥輥系、下工作輥輥系、下輥調整裝置和機架裝配等組成。上輥系三輥擁有液壓快開和安全保護機構（液壓），用于實現矯直輥快速的升降，可有效防止矯直輥損傷鋼管的頭部，同時也保護了設備的安全。液壓快開與保護機構的液壓缸與機架上橫梁的連接螺栓使用液壓拉伸器進行預緊。

出口印度矯直機在使用時，尚在質保期間內，快開機構主缸工作過程中出現液壓油自油缸滲漏現象，檢查發現，主缸出現裂紋情況，沿主缸內部高壓腔一周有裂紋出現。如圖1所示。

圖1 快開機構裂紋照片

初步原因分析，矯直機該處主缸頻繁工作在中高壓（16MPa）條件下，快開機構升降過程中，油缸承受往復運動載荷，可能存在材料疲勞極限不能滿足要求，致使油缸出現裂紋甚至斷裂；油缸高壓腔保壓時靜態強度應力集中；油缸材料含碳量及其他化學成分不符合標準；油缸加工工藝未滿足設計要求等情況。

1 矯直機主缸液壓系統主要參數

液壓系統用來完成矯直機入口上料扣瓦的開合、保護導衛的開合、入口輥道的升降、入口導衛開合、上下輥的平衡鎖緊、矯直輥快開、換輥、矯直機出口推料缸的動作、下料輥道的升降、鏈式冷床的上下料等工藝動作的要求，如圖2所示。

圖2 主缸液壓系統原理圖

有關液壓系統動力源，由于采用的液壓快開機構瞬時大流量的要求，液壓系統采用油泵加蓄能器動力源供油方式。蓄能器可瞬時提供大量的油，不僅滿足了系統性能的要求，也大大減少了油泵電機的功率，達到了節能、減少耗電量和降低成本之目的。

有關控制系統，根據快開系統本身高壓和大流量的特點，采用了插裝閥集成系統，流阻損失小，流量大，一閥多功能。不僅能夠控制快開油缸的起停，也能夠調節通過的流量，因此減少了液壓元件的種類并且簡化了系統。此外，插裝閥動作速度快，密封性好，泄露少，可以完全滿足快開缸的工藝要求。

液壓系統技術參數如表1。

表1 主缸液壓系統參數表

液壓系統包括液壓泵站、液壓控制閥臺以及中間管道。

2 主缸設計靜強度分析計算

2.1 材料性質

上輥快開機構中，上、下缸體采用的材料為45號鋼，柱塞采用的材料為42CrMo，其材料性質與力學性能如表2。

表2 主缸設計材料的性質與力學性能表

2.2 分析模型

1）有限元模型匯總。

采用NX Nastran中的四面體單元進行網格劃分，如圖2所示，模型單元總數為223 552，節點數為49 808。其中，上缸體中圓角處進行了網格細化，整個圓弧上分為3層網格，如圖3所示。

2）載荷工況。

圖3 上輥快開機構有限元模型

圖4 圓角局部網格細化

圖4中所示為快開機構計算模型（1／2），靜態強度分析時，整個腔內承受的壓強為16MPa。該快開機構通過16根螺栓與梁固定，因此將下缸體中螺栓所在的環形面進行約束。同時將上、下缸體間接觸面中螺栓所在的環形面進行面對面粘連（Gluing），其余上、下缸體以及柱塞之間的接觸面均采用面對面接觸（Contact）。

分析時，未考慮柱塞與下方部件的連接的影響，未考慮密封環等照成的影響。

2.3 分析結果

1）原始圓角半徑。

圖5給出的是快開機構在該工況下的應力分布云圖，從圖5中可以看出，最大應力位于上缸體圓角過渡的位置，大小為284.79MPa，并且應力較大的區域位于圓角的中間區域。

圖5 上輥快開機構計算模型

下頁圖6給出的是快開機構在該工況下的位移云圖。

2）修改圓角半徑。

將上缸體圓角半徑由5mm更改為10mm后，按照原載荷工況進行加載，經過計算，上缸體的應力云圖如下頁圖7所示。從圖7中可以看出，上缸體圓角處應力最大值為229.39MPa。

3 實際裂紋原因分析

通過對上缸體裂紋部位觀察及分析，上缸體裂紋根部加工倒角不到位（僅有2mm倒角，與圖紙不符，如下頁圖8所示）裂紋自快開機構高壓腔內根部處向外斷裂。

圖6 上輥快開機構應力云圖

圖7 上輥快開機構位移云圖

圖8 更改圓角半徑后上缸體的應力分布云圖

4 裂紋預防措施

通過對快開機構上缸體裂紋的靜強度分析及現場實際情況分析。上缸體根部處圓角為缸體受集中應力最大處，在使用中建議從以下兩個方面進行預防：

1）增大缸體倒角，原設計為5mm，可適度增大至10mm，增大后缸體最大應力減小20%左右；

2）嚴格控制缸體加工工藝，根據圖紙尺寸對缸體進行尺寸合格檢驗并在設備出廠前進行保壓試驗。

5 結語

通過對上輥快開機構上缸體裂紋進行靜強度分析及實際裂紋原因分析，可以發現，在額定的載荷工況下，上缸體圓角區域有應力集中現象，應力值相對較高，為284MPa，但依舊低于材料的屈服強度345MPa，因此該缸體具有較強的設計強度。若進一步優化該缸體，可將圓角半徑適當增大。通過計算可以發現，與圓角半徑5mm相比，圓角半徑為10mm時缸體的最大應力減小20%左右。在生產中建議以后使用較大圓角半徑缸體以有效預防該種矯直機快開機構故障。