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某廠緊湊式軋機(jī)由四根拉桿將上、下輥軸承座聯(lián)起來，軋制力由四根拉桿承受。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)拉桿的鉤頭部位經(jīng)常發(fā)生疲勞裂紋，導(dǎo)致拉桿斷裂，造成嚴(yán)重的停產(chǎn)損失。采用三維有限元分析法對拉桿進(jìn)行強(qiáng)度分析，從而對拉桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。
為了簡化模型，拉桿的螺桿部分略去不計(jì)，拉桿內(nèi)部的一些小螺孔由于對整體應(yīng)力影響不大，也未考慮在計(jì)算模型之內(nèi)，有限元模型采用三維實(shí)體單元，并在螺桿所在一端施加完全約束，作為固定端。
對拉桿的載荷看作作用于拉桿鉤頭平面上的均布載荷。軋機(jī)的軋制力以1100kN計(jì)，而四根拉桿的總載荷為1078kN，則一根拉桿所受壓力為269.5kN，圓角半徑為6mm，均布?jí)毫?8.99MPa。
拉桿底部鉤頭部位的應(yīng)力最大，且處于各向受拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)按最大主應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。鉤頭R6圓角處的最大主應(yīng)力值最大，達(dá)215.2MPa，也正是該處出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致拉桿斷裂。拉桿螺紋端鉤頭部位也存在較大的應(yīng)力集中，其最大主應(yīng)力達(dá)171.0MPa。
由于拉桿的鉤頭圓角處存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在結(jié)構(gòu)上對其進(jìn)行以下改造：
1)將拉桿底部鉤頭寬度由218mm增大到329mm，增加受力面積。
2)將鉤頭的圓角半徑由6mm增加到12mm，緩解應(yīng)力集中的情況。
改造后的拉桿三維有限元模型的實(shí)體單元、約束條件和改造前一樣，但所受載荷發(fā)生改變。
改造后，拉桿的最大應(yīng)力部位仍是兩端鉤頭圓角處。但底部鉤頭圓角處的最大主應(yīng)力由改造前的215.2 MPa下降到128.8MPa；螺紋端鉤頭圓角處的最大主應(yīng)力由改造前的171.0 MPa下降到146.1 MPa。
該軋機(jī)機(jī)組一年產(chǎn)量以105萬t計(jì)，每根鋼坯重2.1t，即每年軋制5X105根鋼坯。拉桿壽命以10年考慮。同時(shí)考慮各種因素，包括應(yīng)力集中、尺寸、表面粗糙度的影響。由于拉桿受力最大的部位的應(yīng)力狀態(tài)是三向受拉，因此應(yīng)以第一強(qiáng)度理論(最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則)來評價(jià)拉桿的強(qiáng)度。取可靠度P=99.900；尺寸影響系數(shù)0.583；表面粗糙度影響系數(shù)；考慮安全系數(shù)為1.2，計(jì)算得到拉桿許用疲勞應(yīng)力為186.09N計(jì)算結(jié)果顯示改造前立輥拉桿鉤頭最大拉應(yīng)力達(dá)到215.2MPa，超過了疲勞極限。而改造后最大拉應(yīng)力為146.1MPa，可見改造的效果是明顯的。
1)拉桿應(yīng)力較大區(qū)域集中在底部和螺紋端的鉤頭圓角處，其他位置應(yīng)力值較小。
2)拉桿應(yīng)力最大的幾個(gè)部位的應(yīng)力狀態(tài)皆為三向受拉，應(yīng)按最大拉應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度分析。
3)改造前最大主應(yīng)力最大值位于底部鉤頭端圓角處，其值為215.2MPa，改造后最大主應(yīng)力最大值位于螺紋端鉤頭圓角處，其值下降到146.1MPa可見拉桿改造效果明顯。
4)以拉桿壽命為10年計(jì)，則許用疲勞應(yīng)力為186.09MPa，改造前最大拉應(yīng)力達(dá)到215.2MPa超過了疲勞極限。而改造后最大拉應(yīng)力為146.1MPa，小于疲勞許用應(yīng)力。
5)改造后的拉桿已工作三年，至今未出現(xiàn)疲勞裂紋。實(shí)踐證明，該項(xiàng)改造是成功的。
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