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对于机油设施的螺栓开裂剖析及改良
更新时间:2012-02-20

    1本文采用有限元分析软件ANSYS,通过建立三维全尺寸的液压油缸结构模型,并针对性的提出对应的改造方案,以保证该拉矫机安全可靠生产。
  2主液压油缸的载荷能力分析

  2. 1油缸失效特征

  该炼钢厂的大方坯连铸机的几台拉矫机主液压油缸频繁发生油缸紧固螺栓断裂事故,其断裂现象如下:在稳定生产期间或在送到引锭杆期间,均出现螺栓断裂;断裂时,通常为8根全断,无法明确那一根先断;油缸为DAN IEL I公司提供的组合式油缸。

  基于此,本次对油缸的工作载荷特征进行整体分析,寻找该螺栓断裂的主要根源。

  2. 2油缸载荷特性分析

  1)主压下油缸对于拉矫机来说,其作用主要用于控制拉矫机上下夹送辊对铸坯的垂直压坯力,实现对铸坯的夹持力、拉矫力以及动态轻压下。

  2)这种特殊结构具有如下特征:(1)油缸活塞杆与上夹送辊的压下框架之间采用同轴连接形式,确保在宽度方向上油缸活塞杆不会受到过大的弯矩;(2)垂直的四根导杆直接承受铸流方向的拉坯阻力的横向作用,确保活塞杆仅承受垂直方向的鼓肚力;(3)油缸活塞杆连接轴之间采用一个弧形的轴瓦,能很好的消除在铸流方向上弯矩力传递效应,避免油缸活塞杆在铸流方向承受过大的弯矩。

  3)油缸本体载荷分析:可知,主液压油缸的结构特征如下:(1)油缸整体通过底部连接圆盘与拉矫机的上框架进行连接固定;(2)圆筒突台、底部法兰以及底部连接圆盘之间仅通过八根紧固螺栓进行预紧力连接;(3)紧固螺栓所承受的载荷力水平仅为紧固力与液压缸的油压力之和。

  根据以上结构分析结果,可采用有限元分析软件ANSYS对油缸本体进行有限元建模。

  2. 3有限元建模

  1)基于油缸载荷的对称特征,为提高计算效率,本次建立模型为油缸实体的1 /4三维实体1∶1模型。

  2)为确保油缸接触模型与实物具有良好的受力一致性,模型中建立了多个非线性接触对,以模拟实际油缸的接触传力特征,主要如下:(1)活塞杆的杆外壁面与底部法兰的内壁面之间建立接触对;(2)活塞杆的活塞外壁面与油缸中部圆筒的内壁面之间建立接触对;(3) 1 /4模型中含有的两根紧固螺栓的螺杆外壁面以及螺帽的端面均建立接触对。

  同时,为模拟实际紧固螺栓的预紧力作用,在模具模型的边界条件中施加额定的预紧力。同时本模型采用三维实体单元Solide45,所有接触截面均采用Contact174与target170单元,所有剖分面均加载对称边界条件。

  2. 4有限元结果分析

  根据螺栓的预紧特征设置对应的边界条件载荷,同时在液压油缸内施加最大的实际工作载荷16MPa,可得各连接结构的三维应力分布云图,具体如下:1)紧固螺栓受力:最大应力水平为551MPa,分布在螺杆与螺母连接部位;2)底部连接圆盘:连接圆盘的最大应力水平为278MPa,分布在螺孔区域;3)底部法兰:最大应力水平为56. 9MPa,分布在螺孔区域与外表面的连接区域;4)油缸中部圆筒:最大应力水平为484MPa,主要分布在螺孔接触区域。

  3油缸结构改造建议

  基于分析结果可知紧固螺栓发生断裂的可能性最高,一旦油压达到16MPa,其应力水平达到甚至超过螺栓本身的强度极限,必然发生断裂。且其中任何一根发生断裂后,剩余的7根必须承载以前8根的载荷水平,因此在实际情况中,一旦断裂,必然8根一齐断裂。根据本次分析结果,对设计提出如下改进建议:1)增大圆筒突台的高度,为配套突台高度的增大,同时必须增大底部法兰的外围直径值,其目的是增大紧固螺栓的螺栓直径,增大配套螺栓孔直径,从而降低了螺栓的整体工作应力水平与螺栓孔区域应力水平,降低断裂可能;2)将底部法兰与底部圆盘加工为一个整体(整体铸造) ,同时增大圆筒突台的外围直径尺寸,其目的是降低螺杆连接件的数量,提高螺杆承载的稳定性(可能受加工工艺难度的限制) ;3)在油缸装配时,检验8根紧固螺栓的预紧力水平是否一致,尽量杜绝预紧力差异较大的可能性;供应商在本次改进建议下对油缸进行了对应的结构改造并重新在现场使用,通过这几个月的使用效果发现:改造后油缸没有一个发生断裂失效。由此可知,本次分析为大方坯拉矫机的稳定生产提供了直接的理论支撑,同时,本次分析为铸机拉矫机主液压油缸的能力分析计算提供了一种科学的校核方式。

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