辊子变形矫正的力学分析.pdf

Erquipment&Installation装置与安装辊子变形矫正的力学分析李世红北京燕华工程建设有限公司北京10 2 5 0 2摘要辊子变形后需采用合理的矫正方法，结合力学分析，计算出辊子在外力作用下弯曲处的应力大于该材料的屈服极限，且小于强度极限，使辊子弯曲处发生弹塑性变形。而辊子的其他部位在外力作用下的应力均小于该材料的屈服极限，即辊子未发生弯曲的部分只发生弹性变形，从而达到矫正辊子的目的。关键词辊子矫正力学分析中图分类号TQ082文献标识码B文章编号16 7 2-9 3 2 3(2 0 2 3)0 4-0 0 15-0 4随着我国石油化工行业的迅速发展，压力容器的需求量也越来越大。制造压力容器用的滚板机也大量投入了使用，然而，由于种种原因,辊子被压弯的现象时有发生，如果报废重新购买新辊子，必然造成经济的浪费及工期的延误。结合力学分析，采用了一种比较简单的方法矫正被压弯的辊子。某公司铆焊车间一台三辊滚圆机，辊子结构简图如图1所示。由于使用不慎，将上辊手柄处压弯，压弯后手柄端面中心与原中心相差3 2.5 mm（图1中E与F之间的距离），且弯曲点恰在辊子较大变径处（340-220交界O点）。图中O点位置为辊子端面中心点；12 0 0 上面斜线为辊子弯曲偏离中心经EE的弯曲线；AB段为辊子弯曲段(锥段)；手柄指辊子右侧末端手动操作的机构(矩形)；EF的长度为3 2.5 mm，表示辊子弯曲后AB段末端手柄处弯曲造成的中心线偏离尺寸。1检验及测量(1）用1m的钢尺从侧面贴紧A一B段,沿圆周方向每6 0 贴紧一次，钢尺贴合后底部均无间隙，说明弯曲处手柄OA18002003500图1辊子结构简图（单位：mm）只在0 点。(2）对辊子弯曲处(图1中0 点外径处),用着色探伤检查，表面无裂纹，超声波检测，内部也无裂纹等缺陷，说明此处虽被压弯，但只是弹塑性变形，未发生撕裂和断裂，即应力不大于材料的强度极限（b）。(3）材料的机械性质：辊子为锻钢4 5，屈服极限（s)为3 6 0 MPa,强度极限为6 0 0 MPa。2分析计算2.1材料力学性质材料的力学性质 简图如图2 所示。弹性阶段(oa）：，为比例极限，。为弹性极限，当应力在oa范围内变化时，只发生弹性变形，卸载后恢复B1200100EC处时，螺栓受力情况如图5 所示。Erquipment&Installation装置与安装bC6。0原状，无变形；屈服阶段(bc)：s 为屈服极限,在此阶段发生塑性变形,卸载后仍有一定变形。所谓塑性变形,指外力超过一定限度，解除外力后，只能部分复原，而遗留一部分不能消失的变形；强化阶段(cd)：在强化阶段，要想使材料继续变形必须加载。当加载时，变大；当到达d点时，为最大名义应力，称为材料的强度极限。颈缩阶段(de)：从d开始，出现颈缩现象”,受力即使变小,也易断裂。2.2矫正方法选用冷矫正方法，首先把辊子一侧固定，在另一侧即手柄处的一侧用油压千斤顶施加外力，使手柄弯曲处发生弹塑性变形，而其他部位只发生弹性变形，以达到冷矫正的目的。其矫正结构简图如图3 所示。垫块、H型钢手柄辊子垫块平台2.3辊子受力分析对辊子各点进行受力分析，详见图4。2.3.1螺栓受力分析假设四根螺栓受力均匀且均为P，辊子自身重量和40t油压千斤顶的力相比很小，可忽略不计。千斤顶置于16石油化工建设2 0 2 3.0 4d图2 材料的力学性质示意图M36螺栓（共4 条）油压千斤顶H型钢图3 矫正结构简图4PDe0GG2E1500E一垫块支承点；4 P一4 个螺栓受力大小；GI、G 2、G 3、G 4、G s 辊子各段自身重量；F一油压千斤顶的力图4 辊子受力示意图4P.1500A图5 螺栓受力示意图单根螺栓受力(P)计算式见式(1)。4P1500=F (1500+1200)式中：F油压斤顶力，设F为最大,4 10 N；P单根螺栓受力,N;解得:P=1.810N。每根螺栓产生的内应力（）计算见式(2)。PA式中：A-螺栓的截面积,A=元d4D-螺柱螺纹小径尺寸，取3 2.7 5 mm。1.8 105代人式(2)）中，得=(32.75 10-)4214MPa。又由螺栓材料性质可知，材料4 0 Cr的垫块s=635MPa、b=7 6 5 MP a。s,且 0,故f(x)0,推知 AC 段内 x15随X的增大而增大。因而在AC段内，A点截面处上下点的应力最大。由图7 可以看出,MA=3.610Nm。因此，可得式(7)。MA=3.6105WA32式中,dA为=2 2 0 mm,故 A=344MPa。再由图7 可以看出，O点处弯矩较大，且O点与A点处截面直径相同。因此，必须校核点截面处的应力，见式(8)。Mo4.4105W。元d=420.8MPa32由图7 还可以看出,D点处所产生的弯矩最大，但此截面处直径也最大，校核此截面处的应力(式9)。MDEX-4410 x15WD式中,Mp=4.8 10N.m,W,=-dmM=112MPa。图8 剪力图ODWD2.4计算结果由以上计算可知，在AC段内，x随X的增大而增油化 工建1 2.4 1 732x=160-15(7)(8)(9),dp=340mm,故32Erquipment&Installation装置与安装大。在A点处，Ox达到AC段内的最大值，即A=344MPa。在O点处，o=420.8MPa。又因45 锻钢的。=3 6 0 MPa、b=6 0 0 MP a，可知S，b。因此推知,在AC段内各点只发生弹性变形；O点截面处发生弹塑性变形，但不会发生裂纹及其断裂。又因为=112MPa,得 s，说明此截面处只发生弹性变形。分析剪切应力，由图8 可以得出，各处剪切力相等，只校核半径最小截面处即可。由图4可知，C处截面直径最小，只须校核C点截面处。剪切应力计算见式(10)TF(10)Ac式中:F=410N。AC 点截面积,A,=-g,d=160mm。故，T。=2 0 MP a t J,剪切应力对其影响较小,不会剪断。3矫正过程首先，测量端面中心到垂直下方某一固定点的距离为a（目的是矫正到最后，使之中心处变化3 2.5 mm,与原中心重合,为了操作方便，使之弯向下方,把千斤顶放在下方，向上顶)，记录数据，然后用油压千斤顶一点一点往上顶，并用木锤不断轻轻敲击变径处，使之变形,并不断随时消除产生的应力,防止发生裂纹。顶上一段距离(b-a)后卸载，发生塑性变形，测量其中心到固定点距离bi,则变形量为(bi-a)；再次上顶距离(c-bi），重复以上的步骤,轻轻敲击变径处，卸载，测其中心到固定点的距离为C1,则总的变形量为(ci-a)，多次重复以上步骤，逼近最后变形量为3 2.5 mm；在矫正过程中,还要把辊子放在滚动的轮胎上，用百分表测量其圆柱度，用钢尺测其是否出现“S”曲线形状变化，具体结构如图9 所示(参照图1)。用这种方法矫正压弯曲辊子，最后用百分表测量，对中心误差0.2mm,无“s”曲线形状。图9 矫正过程示意图经有关部门审核合格，对易发生裂纹处用着色探伤4检查，无裂纹，超声波检测无缺陷产生，并由车间一次试车，滚出了合格产品。4结语本次辊子压弯矫正，是一次初步尝试，至于如何在允许的条件下进行更加合理，如何使各部分弯曲一致，并不出现“S形状。则可运用优化设计，使辊子手柄各部分按应变力布置多个受力点。参考文献1王笃之.材料力学（第5 版)M.北京：高等教育出版社，2 0 18：89-135.2史美堂.金属材料及热处理(第2 版)M.上海：上海科学技术出版社,2 0 0 9:146-2 8 7.3同济大学数学教研室.高等数学(第2 版)M.北京：高等教育出版社，2 0 12:2 3 9-2 9 4.尺子转胎(收稿日期：2 0 2 3-0 1-14)(上接14 页)对于长距离输送的蒸汽管道，选用旋转补偿器是一种很好的补偿方式，可以在满足柔性设计的前提下，同时减小管系的阻力降，满足用户使用要求。但需注意，选用旋转补偿器必须对靠近补偿器的滑动管托长度加长和预偏装，防止运行时管道热膨胀，以致将管托推到管架梁下。参考文献1徐东宝，齐福海.化工管路设计手册 M.北京：化学工业出版社，2 0 11.18石油化工建设2 0 2 3.0 42马金国，唐永进，张发有，等石油化工管道柔性设计规范SH3041-2016S.北京：中石化出版社，2 0 16.3宋岢岢.工业管道应力分析与工程应用 M北京：中国石化出版社，2 0 10.4宋岢岢.压力管道设计及工程实例(第二版)M北京：化学工业出版社，2 0 12.(收稿日期：2 0 2 3-0 2-14)