基于有限元分析的礦用混料機(jī)滾筒焊縫坡口對(duì)比研究與應(yīng)用

郭彩萍，向道輝

(1.焦作大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 焦作 454002; 2.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作454010)

噴射混凝土支護(hù)作為煤礦井巷工程的一種重要的支護(hù)方式，在噴漿施工作業(yè)前需要使用混凝土混料機(jī)將水泥、摻合料及砂子進(jìn)行混合，混料機(jī)滾筒的焊接質(zhì)量，與其使用壽命密切相關(guān)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多研究者對(duì)混料機(jī)滾筒的失效問(wèn)題，從多個(gè)角度進(jìn)行了研究。金浩[1]、方乃文[2]、遲露鑫[3]、吳愛(ài)萍[4]、王明強(qiáng)[5]、王瑞[6]等通過(guò)建立有限元模型探究焊接順序?qū)︽V合金焊接變形和應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)了控制鎂合金焊接變形和殘余應(yīng)力的最佳焊接順序；奚麗峰[7]對(duì)帶式輸送機(jī)滾筒關(guān)鍵零件進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)筒圈的主要破壞原因是由于其受交替拉伸壓縮變形所導(dǎo)致。另外，一些研究人員對(duì)滾筒在承受不同載荷時(shí)的疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)滾筒的焊縫表面在只受到切向力時(shí)，其疲勞壽命最高[8-16]。

針對(duì)一家企業(yè)生產(chǎn)的混料機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中出現(xiàn)滾筒筒體焊縫開(kāi)裂問(wèn)題，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，初步分析認(rèn)為開(kāi)裂的滾筒筒體與滾圈之間采用焊接方式連接，焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件變形，甚至產(chǎn)生微裂紋、漿液泄漏的主要原因[17-20]。為了解決滾筒筒體焊縫開(kāi)裂問(wèn)題，筆者從焊口形式角度出發(fā)，基于Abaqus軟件進(jìn)行模擬仿真，采用有限元分析方法，對(duì)比分析平口焊和坡口焊2種焊接形式下的焊縫應(yīng)力，找出殘余應(yīng)力相對(duì)較小的焊接形式。

1 混凝土混料機(jī)滾筒焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象

一家混料機(jī)生產(chǎn)企業(yè)接到現(xiàn)場(chǎng)反饋，混凝土圓筒混料機(jī)在使用一個(gè)月左右時(shí)，混料機(jī)滾筒筒體出現(xiàn)了裂紋，如圖1所示。

(a)外部裂紋

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察采樣，該混料機(jī)滾筒焊接處焊口為“V”形坡口，裂紋全部出現(xiàn)在“T”形焊縫滾筒外側(cè)的焊趾線上，沿滾筒周向、滾筒鋼板厚度方向擴(kuò)展。裂紋周向長(zhǎng)度為300～5 000 mm，長(zhǎng)短不等；鋼板厚度方向全部裂穿。維修補(bǔ)焊后仍出現(xiàn)開(kāi)裂，縮短了設(shè)備的使用壽命，導(dǎo)致工期延誤，同時(shí)帶來(lái)了生產(chǎn)安全隱患。

2 混料機(jī)滾筒與滾圈焊縫力學(xué)效應(yīng)數(shù)值分析

2.1 滾筒焊縫幾何模型的建立

為了對(duì)平口焊和坡口焊滾筒的焊縫進(jìn)行分析，采用Solidworks三維軟件建立平口焊和坡口焊2種焊接形式的三維滾筒模型，其焊縫形式如圖2所示。

圖2 不同焊接形式的焊縫

2.2 焊縫的有限元模型構(gòu)建與求解

滾筒破壞主要是由焊縫處產(chǎn)生的焊接應(yīng)力和變形所導(dǎo)致的。為對(duì)比平口焊、坡口焊對(duì)焊縫應(yīng)力的影響，將2種焊口形式的三維滾筒模型導(dǎo)入Abaqus有限元軟件中進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力與變形分析。

對(duì)滾筒進(jìn)行材料屬性及邊界條件設(shè)置：

1)材料屬性。先將導(dǎo)入的模型賦予材料屬性，滾筒材質(zhì)為Q345，其彈性模量E=2.0×105GPa，泊松比μ=0.25。

2)邊界條件?？紤]到滾筒主要受物料及主動(dòng)輪胎的作用，在滾筒內(nèi)部施加物料的壓力和切向力，其大小分別設(shè)置為800、300 kN。在外部模擬添加滾筒所受主動(dòng)輪胎、從動(dòng)輪胎的壓力和摩擦力，主、從動(dòng)輪胎受到的壓力和摩擦力大小相同，方向相反。壓力設(shè)置為1 000 kN，摩擦力為200 kN；設(shè)置施加擋圈的力為100 kN。

在完成材料屬性、邊界條件設(shè)置之后，求解應(yīng)力、應(yīng)變，輸出分析數(shù)據(jù)圖。為了保證求解結(jié)果的精度，在一定的條件范圍內(nèi)，對(duì)焊縫附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，網(wǎng)格類型為六面體。建立的有限元滾筒模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分后的滾筒模型

2.3 焊縫的應(yīng)力與應(yīng)變分析

在Abaqus軟件中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后，即可輸出滾筒焊縫的應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)。圖4為平口焊形式的混料機(jī)滾筒受力整體應(yīng)力云圖，可以明顯看出，混料機(jī)滾筒與主動(dòng)輪胎接觸面和筋板擋輪圈處的應(yīng)力最大。

圖4 滾筒整體焊接應(yīng)力分布云圖

分別對(duì)平口焊和坡口焊2種形式的滾筒模型進(jìn)行模擬，獲得滾筒應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，如圖5、圖6 所示。

圖5 不同焊接形式的滾筒應(yīng)力云圖

圖6 不同焊接形式的滾筒應(yīng)變?cè)茍D

由圖5、圖6可見(jiàn)，有限元模型求解中顯示出最大應(yīng)力和應(yīng)變點(diǎn)出現(xiàn)在左邊第1個(gè)筋板右側(cè)面 75 mm 處，即第2個(gè)輪胎對(duì)滾筒施加載荷處。此處坡口焊接時(shí)的最大應(yīng)力約為52.7 MPa，最大變形為 0.663 7 mm；平口焊接時(shí)的最大應(yīng)力約為46.1 MPa，最大變形為0.654 7 mm。由于2種焊接形式的滾筒模型和受力情況均相同，從而導(dǎo)致最大應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生在滾筒的相同位置，焊口形式的不同導(dǎo)致最大應(yīng)力應(yīng)變值發(fā)生了少量變化。

為了進(jìn)一步分析混料機(jī)滾筒各處應(yīng)力分布情況，以及2種焊接形式的滾筒各處應(yīng)力的變化對(duì)比，將平口焊和坡口焊的有限元模型設(shè)置相同的受力條件，沿軸向通過(guò)主動(dòng)輪胎與滾筒接觸區(qū)域?qū)L筒剖開(kāi)，局部剖面如圖7所示。

圖7 筒體剖開(kāi)應(yīng)力分布云圖(部分)

由圖7可以看出，由于焊接殘余應(yīng)力的原因，應(yīng)力的峰值均出現(xiàn)在各焊縫處。為對(duì)比2種焊接形式應(yīng)力大小及分布情況，以焊縫位置作為觀測(cè)點(diǎn)，且均選取滾筒上部筒體與加強(qiáng)筋和擋輪圈的焊縫處作為測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析，各觀測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力如表1 所示。

表1 不同焊接形式的滾筒焊縫測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力

由表1可見(jiàn)，平口焊形式滾筒上應(yīng)力最大值出現(xiàn)在筒體與第1個(gè)加強(qiáng)筋右邊的焊縫處附近，其值約為13.8 MPa；坡口焊形式滾筒上應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)在筒體與第1個(gè)加強(qiáng)筋右邊的焊縫處，其值約為18.8 MPa。各焊縫處均出現(xiàn)局部的應(yīng)力峰值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)2種形式的滾筒應(yīng)力分布情況趨勢(shì)一致，平口焊形式各應(yīng)力峰值普遍低于坡口焊形式。平口焊形式滾筒上應(yīng)力最大峰值(13.8 MPa)與最小峰值(9.1 MPa)相差4.7 MPa；坡口焊形式滾筒上應(yīng)力最大峰值(18.8 MPa)與最小峰值(11.6 MPa)相差7.2 MPa。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在有限元模型中施加工作載荷后的滾筒出現(xiàn)一系列的應(yīng)力集中點(diǎn)，均出現(xiàn)在每條焊縫附近。為了進(jìn)一步進(jìn)行對(duì)比分析，選擇在2種焊接模型中相對(duì)應(yīng)的焊縫應(yīng)力集中點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，采集各點(diǎn)的應(yīng)力值峰值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同焊接形式的滾筒焊縫應(yīng)力集中點(diǎn)應(yīng)力

由表2可以看出，各焊縫處均出現(xiàn)局部的應(yīng)力峰值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)2種形式的滾筒應(yīng)力分布趨勢(shì)一致，平口焊形式各應(yīng)力峰值普遍低于坡口焊形式。平口焊形式滾筒上應(yīng)力集中點(diǎn)最大峰值(46.1 MPa)與最小峰值(17.3 MPa)相差28.8 MPa；坡口焊形式滾筒上應(yīng)力集中點(diǎn)最大峰值(52.7 MPa)與最小峰值(16.2 MPa)相差36.5 MPa。

對(duì)比表1、表2中數(shù)據(jù)可以看出，在滾筒軸向剖面應(yīng)力分布圖中，平口焊各焊縫的應(yīng)力均小于坡口焊的應(yīng)力；同時(shí)在各焊縫附近的應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力中，除第3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)外，其余觀測(cè)點(diǎn)平口焊形式的應(yīng)力均小于坡口焊的應(yīng)力。

3 混料機(jī)滾筒焊接方法應(yīng)用對(duì)比分析

坡口焊相對(duì)于平口焊，其焊口較長(zhǎng)且不平整，焊接后焊縫附近易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。滾筒工作過(guò)程中，在局部應(yīng)力集中處易產(chǎn)生裂紋，裂紋隨后擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致疲勞斷裂。平口焊與坡口焊相比，平口焊后的焊縫更加平整，能夠減小集中應(yīng)力和焊接變形量，焊接應(yīng)力較小，可減少裂紋的產(chǎn)生。通過(guò)有限元仿真模擬結(jié)果可知，滾筒筒體在受到相同作用力的條件下，產(chǎn)生最大應(yīng)力點(diǎn)位置基本相同，即左邊第1個(gè)筋板右側(cè)75 mm處。平口焊、坡口焊觀測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力、應(yīng)力峰值差對(duì)比情況見(jiàn)表3。

表3 不同焊接形式觀測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力、應(yīng)力峰值差對(duì)比

由表3可見(jiàn)，采用平口焊形式時(shí)最大應(yīng)力為46.1 MPa，采用坡口焊形式時(shí)最大應(yīng)力為52.7 MPa。與坡口焊相比，平口焊最大應(yīng)力降低12.5%。平口焊形式明顯減小了焊縫間應(yīng)力峰值差，降低了滾筒開(kāi)裂的可能性。

混料機(jī)滾筒筒體原采用坡口焊接形式，現(xiàn)場(chǎng)使用一個(gè)月左右焊縫位置就出現(xiàn)裂紋，維修補(bǔ)焊后仍出現(xiàn)開(kāi)裂，反復(fù)維修，導(dǎo)致設(shè)備提前報(bào)廢，使用周期短，使用成本高。通過(guò)改用平口焊接形式，混料機(jī)滾筒已工作近12個(gè)月，到目前為止，沒(méi)有出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂的現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用有限元仿真技術(shù)，真實(shí)顯示了混料機(jī)滾筒不同焊接形式下構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變情況，可提升設(shè)計(jì)效率。

2)與坡口焊相比，采用平口焊的焊接形式最大應(yīng)力可降低12.5%，能有效延長(zhǎng)焊件使用壽命。

3)對(duì)坡口焊、平口焊2種不同焊接形式下的焊縫進(jìn)行有限元模擬仿真發(fā)現(xiàn)，平口焊的焊縫焊接應(yīng)力低于坡口焊。根據(jù)仿真分析結(jié)果，在相同的焊接工藝設(shè)備的條件下，采用平口焊形式對(duì)混料機(jī)滾筒焊接進(jìn)行了改進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明，平口焊接的焊縫處應(yīng)力較小，解決了焊縫頻繁開(kāi)裂問(wèn)題，有效提高了混料機(jī)的疲勞使用壽命。