龍門壓機裂紋產生原因及優化措施研究

魏海濤，李晶，魏海鋒，王宏亮，鐵新宇

（1.蘭州蘭石集團有限公司能源裝備研究院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州蘭石重工有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

大型龍門壓機是汽車、航天、能源裝備等行業常用鍛壓設備，機架作為大型龍門壓機的關鍵部件，在拉、壓復合作用下發生疲勞失效的概率較大，因此機架的疲勞壽命分析是研發人員重點關注的問題。

疲勞壽命分析可作為結構設計的參考要素，用于優化結構薄弱環節，指導設備運營維護[1]。對大型結構件進行疲勞壽命試驗難度較大，成本高，因此成為裝備研發設計中的一個重要課題[2-4]。對于大型零部件的疲勞壽命評估，應用較多的方法為名義應力法[5-7]，已有大量的S-N 曲線數據可供使用。崔琨口亮[8]等人對800MN 模鍛液壓機的機架進行了疲勞壽命研究，分析了機架的可靠性，為壓機的監測維護提供了指導意見。黃寧[9]等基于疲勞模擬實驗原理，推出疲勞修正系數表達式，并在巨型壓機C 型板的疲勞壽命案例中進行了分析驗證。

本文以某車間20MN 龍門壓機機架發生裂紋為切入點，應用有限元分析手段對機架的疲勞壽命進行了數值計算，探究其出現裂紋的原因，制定加固方案，提升壓機的使用壽命。

1 機架結構

20MN 龍門壓機機架為板焊式一體結構，包含上橫梁、立柱、下橫梁三部分，圖1 為機架結構簡圖。機架高度以及跨度均達到7m，為大型結構件，材料為焊接性能較好的Q345。

圖1 機架結構簡圖

2 問題探究

2.1 問題分析

近期，機架上橫梁處出現多處裂紋，即安裝主缸、導向裝置的正面以及頂部位置，如圖2 所示。如繼續使用可能會發生安全事故，造成不必要的損失，為了不影響生產進度，減小損失，需找到造成裂紋的原因，制定合理的維修加固方案。

圖2 上橫梁裂紋分布

機架屬于大型結構件，疲勞壽命的影響因素較多，如果僅選擇某一影響因素進行分析，實際工程意義不大，所以要考慮多種因素，深入分析，以指導工程實踐。

通過理論分析與現場檢測，可知造成裂紋的因素可能有結構應力集中、過載運行、焊接殘余應力以及表面缺陷等。為找到確切原因，制定加固方案，借助有限元法進行研究分析。

2.2 理論基礎

有限元方法使用積分法來建立系統的代數方程組，用一個連續的函數來近似描述每一個單元的解，其關鍵部分、危險部分的應力值也就可以求得。

疲勞壽命的計算采用名義應力法，根據材料的S-N 曲線，綜合各影響因素，修正可得機架的S-N 曲線。

式中：S 為應力幅值，可通過等效應力來求得；N 為疲勞壽命，m、C 為材料常數。

根據表1 中Q345 的疲勞試驗數據[10]，列出方程組求解可得，S-N 曲線方程式為：

表1 Q345 的S-N 疲勞試驗數據

對于機架的疲勞S-N 曲線，引入綜合修正系數進行分析計算，如式（3）。

式中：S 為部件的名義應力，Kσ為綜合修正系數，與部件的應力集中系數Kt、尺寸系數ε、表面系數β1有關。

式（4）中，q 為疲勞缺口敏感系數；式（5）中，Smax為應力集中處的最大應力，Sn為名義應力。

疲勞損傷是指在工作載荷循環作用下，疲勞累積損傷經過不斷累積，當積累到最大臨界值時發生破壞，如式（6）所示為疲勞累積損傷表達式。

2.3 計算分析

應用有限元軟件對機架進行計算分析，為提升計算精度對局部網格進行細化處理，有限元模型網格數為1648194。經計算，最大載荷下機架的應力分布結果如圖3 所示。

圖3 機架等效應力云圖

由圖3 可知，機架上橫梁中間區域為高應力區，最大值為415.55MPa，其余各位置的應力值見表2。

表2 不同位置處應力計算結果

2.4 疲勞壽命計算

根據疲勞損傷累積原理，應用修正模型進行計算，可預測該結構的疲勞壽命。

按圖4 積分路徑進行求解可得其名義應力為190.62MPa，代入式（5）可得應力集中系數為2.18。該機架結構缺口的影響因素較小，疲勞缺口敏感系數q 取值為1。

圖4 應力云圖及積分路徑

前文中已經求得了Q345 的材料常數m、C，參考圖5 可得表面加工系數β1=0.9，應用TCD 理論可得機架的尺寸系數ε=0.86。

帶入式（4）可知綜合修正系數為：

將有限元計算結果，帶入機架的S-N 曲線，計算可得機架的疲勞預測壽命為605862。

應用仿真軟件對機架進行疲勞壽命預測，驗證上述計算結果的合理性。圖6 為應用有限元軟件分析所得的機架疲勞壽命預測云圖。可知，疲勞壽命仿真結果為565698，與理論計算結果接近。

圖6 機架上橫梁處疲勞壽命預測云圖

同時，機架危險節點的壽命值較低，需要結合之前的有限元分析結果，對機架進行加固處理，提升其使用壽命。

3 優化研究

車間提供的驗收報告顯示，之前的焊接工藝合格，并采用了振動法消除了殘余應力，可排除由于焊接工藝造成裂紋的原因；車間主要完成球片的鍛壓，實際工況均小于機架最大許用載荷，因此可排除過載運行造成裂紋的原因；通過有限元計算可知，機架出現裂紋處的應力值較大，故判斷結構應力集中為造成裂紋主要原因。同時，觀察機架裂紋處，發現其表面質量并不高，存在生銹的情況，因此判斷表面粗糙度也是影響機架上橫梁裂紋的一個主要因素。

經上述分析可知，造成裂紋的原因為機架的強度略微欠缺，使用期限較長，導致表面發生氧化反應。為解決裂紋繼續擴張的問題，需要進行結構加固及表面加強處理。

3.1 結構分析

為制定加固方案，對其結構進行分析。

由圖7 可知，機架內部筋板分布為橫平豎直的情況，在運行過程中機架受到拉、壓復合作用力，橫平豎直筋板的分布不能有效提高機架的強度，但考慮到現在壓機已經在使用中，重新拆裝加固的成本將會很高，因此采用修補的方法進行加固處理。

圖7 機架筋板分布情況

3.2 優化方案

根據上述分析，制定具體的加固方案，各施工步驟嚴格按照工藝要求進行操作。

（1）在上梁面板2 側處開300mm×600mm 的方形孔，觀察上橫梁安裝油缸孔部位有無開裂，處理內部裂紋，在已開裂裂紋末端鉆止裂孔。

（2）用碳弧氣刨氣割開裂裂紋兩側，以便后期焊接，氣刨時需對上梁加固，防止其變形。氣割后需將氣割部位進行打磨處理，確保后期焊接質量。

（3）按照焊接工藝進行焊接。焊接時需對上梁加固，防止其變形。

（4）加固處理。上下橫梁兩側需貼板焊接，貼板尺寸為7100mm×1470mm×50mm，周邊開25×45°坡口，表面預先加工出塞焊孔；上橫梁上端面需貼板焊接，貼板尺寸1560mm×590mm×50mm，中間部位按照油缸安裝位置切割為圓弧形。

（5）焊接殘余應力消除，表面強化處理。

3.3 方案驗證

對其加固維修后的結構進行仿真分析，結果如圖8 所示。

圖8 加固后機架上橫梁部位等效應力云圖

根據有限元分析結果可知，加固方案中雖然依舊有應力集中現象，但整體的應力分布趨勢更加均勻，經計算其壽命值為798362，較之前有一定提升，通過本次處理可提升機架的使用壽命，解決安全隱患。

3.4 實施加固

按照制定方案對機架進行施工加固。如圖9 所示。

圖9 施工現場圖

4 總結

（1）以車間實際問題為切入點，充分結合車間生產工況，充分考慮機架疲勞壽命影響因素，切實找到了裂紋出現原因。

（2）除進行現場檢測與理論計算外，充分應用有限元分析技術進行驗證分析，解決了大型結構件實驗成本較高，試驗困難的問題。該方案的應用可為之后大型裝備的維護與研發提供參考。

（3）由于仿真技術應用時間較短，之前設計的大型裝備的強度、剛度問題采用加大安全系數的方法來保證，但隨著現代能源型社會的發展需求，大型裝備的輕量化設計勢在必行，這也對先進數字化設計手段的充分應用提出了要求。