重型装备承载件结构优化及寿命优化设计技术     重型装备是一种贵重设备,在经济生产中发挥举足轻重作用。重型装备要求可靠性很高。不仅是因为重型装备的故障或损害会给企业带来财产损失,而且由于设备故障导致的停机停产所带来经济损失也是极为巨大的。尤其是一些流水线设备,一台设备的故障会导致整条流水线停产。汽车行业的冲压生产线停产一天就会损失几亿元。因此设计此类重型设备必须保证很高的可靠性。     重型装备在重量上一般很大,不仅给生产运输带来了困难,而且要耗费大量原材料。在保证原有设计指标不变的情况下,对关键重型承载件进行轻量化设计,能够使重型设备的整机装备质量较大的减小,降低原材料消耗,从而降低设备生产成本。     轧机是冶金行业的一种重型装备。机架是轧机的最昂贵的部件,承担着轧辊传递的轧制力。机架最严重的失效形式是机架断裂。合理的机架设计可以有效降低机架内最大应力,保证机架的可靠性,避免事故的发生。因此设计轧机必须对机架机械分析验算,在保证刚度的同时,尽可能降低重量,降低工作应力。 重型锻压设备是另一种重型装备。整机装备质量通常在数百吨至数千吨乃至上万吨不等。设备整机质量越大对其可靠性要求越高。重型锻压设备的机架承载着工作中所有载荷,其重量占整机大部分重量,机架的损坏形式一般为疲劳断裂,为了提高机架疲劳寿命,一般采用预应力结构。     机架有开式机架和闭式机架之分。图1(1)是1420轧机机架三维模型。开式机架由机架本体和上盖组成,并用螺栓或键楔联结。如图1(2)所示。开式机架换辊方便,换辊时只须将上盖打开,用吊车吊出和装入。但刚性较差。     现以1420轧机为研究对象论述结构优化设计的效果。1420轧机基本工作参数:         最大轧制压力18000KN;最大轧制力矩220KNm;轧机立柱断面尺寸580*740mm。     轧机机架的工作许用应力一般在40~50MPa范围之内。现代轧机机座刚度一般在7000KN/mm在9000KN/mm之间,机架的变形一般占机座总变形的20%左右。取机座的刚度8000KN/mm,因此,可以算出机座的最大变形为(18000/2) /8000=1.125mm,机架的最大变形为0.225mm,机架的刚度系数为40000KN/mm。     计算机有限元分析技术是20世纪60年代伴随着高速发展的计算机技术、电子技术等发展起来的一门实用工程分析技术。能够分析各种复杂结构件,可以弥补用理论公式难以适应对不规则结构的计算。使用计算机有限元分析技术分别对两种优化设计方案进行计算,能够准确计算出各项性能指标。     按照每吨钢材0.8~1万的价格计算,每台轧机机架通过优化后能够减少原材料成本6~8万元。
优化效果
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方案一
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方案二
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重量/吨
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69.64
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77.92
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重量下降率
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10.6%
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0
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刚度提高率
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35.3%
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69%
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应力降低百分比(平均)
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43.1%
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10.9%
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(1)闭式轧机机架(1420机架)   (2)开式机架       
      图1:机架机构形式
(1)优化方案一       (2)优化方案二
图2:节点位移变形图
图3:精冲机机架应力变形图
图4:机架前50寿命最低节点的工作寿命