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钢丝绳拉力试验机主框架设计与优化

发布时间:2023年07月06日

1 前言

世界上许多国家已经建立了钢丝绳性能的相关测试标准[1],在测试钢丝绳的过程中,已经探索了各种钢丝绳测试的测试方法[2],目的是准确地反映钢丝绳的整体性能[3],本文就是以提高钢丝绳试验的准确性为目标,针对钢丝绳等长试件拉力试验机的主框架进行设计与研究。

2 机械结构设计概述

机械结构的设计应符合产品的功能需求,并保证结构设计的可靠性、工艺的合理性以及成本的最低化[4],同时还需兼顾机械结构受力不均等问题,所以对于机械结构的设计需要全方面考虑[5]

主框架是整个机械结构中关键性的承载部件,框架的整体力学性能对拉伸试验结果有直接的影响。本文钢丝绳拉力试验装置采取单缸双拉杆结构,利用此结构将液压缸的推力转化为对钢丝绳的拉力。其优点是:它可以确保拉伸试验具有更好的对中性,无偏心载荷,并且水平框架结构的稳定性良好,并且易于加工和拆卸试件[6]。对于试验机主框架的设计,主要围绕以下内容:

1)钢丝绳等长试件在拉伸过程中主框架的实际受力情况;

2)合理制定框架内各钢板的布置形式,并在关键位置设置加强筋,使主框架满足满载时的变形要求。

3 框架结构设计

3.1 液压缸安装框架设计

液压缸安装框架用于安装液压缸,承受液压缸的反作用力,液压缸安装框架采用焊接方式,钢板材料均采用Q345B。在液压缸安装框架中,底部的焊接钢板用于找平并用地脚螺栓与地基连接,同时在框架中还要留有安装液压缸和拉杆的孔。加工时要确保液压缸及拉杆孔的中心线在同一水平面上,液压缸安装框架的高度要根据液压缸的尺寸所决定。由于液压缸安装框架直接与液压缸相连,承受的反向力较大,故在其主要受力面上焊加强筋板。液压缸安装框架的结构以及加强筋的布局如图1所示。其中上钢板、下钢板、以及加强筋板都采用厚度为30mm的Q345B钢板。

3.2 中间框架设计

中间框架是由4个短框架用螺栓拼接而成,用于连接液压缸安装框架与框架尾座,每个短框架的下部都与支撑架用螺栓相连,中间框架总长为8m,在保证框架整体强度的情况下,应尽可能的缩小整体尺寸,如图2所示,在试验机拉伸试件的过程中,主要承受液压缸安装框架以及后横梁的压力,随着载荷的逐步施加,框架整体会向两边产生一定的外张力,因此在装配过程中必须严格保证中间框架的水平度,以免翘偏。

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图1 框架结构图   


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图2 中间框架结构图  


4 主框架有限元分析

4.1 框架模型的输入以及网格划分

由于从主框架中无法提取出规则的横截面和确定的断面系数,所以很难用材料力学方法去求解,因此针对主框架这种大型的结构件[8],需要利用有限元分析软件ANSYS Workbench进行力学分析。

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图3 网格划分情况   


ANSYS Workbench中的自动化分网格功能可以保证网格在高质量的条件下自动生成形状和特性较好的元素[7],并且可以自动调整网格的密度以满足具有高精度要求的区域。划分网格的方法有很多种。图3为主机框架的网格划分情况,划分后的节点总数为288832,单元总数为169902。

4.2 载荷及约束的施加

在主框架中,液压缸安装框架承受液压缸的支反力,中间框架上的插销孔承受钢丝绳的拉力,故在液压缸与安装框架的接触面上进行纵向加载,方向指向框架内部,由于在拉伸过程中,主框架受力复杂,包括压力、摩擦力、附加力等,但以压力为最大,其余力远小于压力,因此忽略其它力的影响,只取压缩力为外载荷,施加10000kN的力(按最大试验力分析)。主框架与地基通过地脚螺栓固定,因此地脚处采用固定约束。

4.3 有限元结果分析

通过ANSYS Workbench求解上述有限元模型,得到拉力机主框架的应力云图和总变形云图,如图4和5所示。从应力云图中可以清楚地看出等效应力值最大为1456.6MPa,并且发生在中间框架的插销孔处,此插销孔的主要作用是连接中间框架与后横梁,一旦插销孔处承受的最大载荷超过了其周围材料的屈服强度,那么在插销孔附近将会发生塑性变形,甚至出现裂纹或断裂,因此需要在插销孔处进行结构优化。

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图4 框架应力云图   


从框架变形云图中看出主框架的总变形量最大为12.159mm,超过了规定的最大变形量即10mm,最大变形位于液压缸与液压缸安装框架接触的位置,出现该现象的原因是中间框架与液压缸安装框架接触面积较小,造成此处应力集中,因此需要对液压缸安装框架进行必要的结构优化。

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图5 框架变形云图   


5 主框架结构优化

根据金属材料拉伸试验标准得知:本文试验机的变形量要控制在合理的范围内即小于总变形量的0.5%,因此针对上述主框架中存在的一些问题进行局部结构优化,如图6所示为结构优化后的主框架。关于插销孔处应力偏大的问题,解决措施是在中间框架上的四个插销孔附近布置环形加强筋,从而提高了局部抗压强度。针对液压缸安装框架下部总变形量稍大的问题,采取的优化措施是将液压缸安装框架与中间框架之间的加强筋板改为横梁结构,目的是增加受力面积,减少应力集中,降低接触处的应力。

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图6 优化后的框架模型 


将结构优化后的主框架模型也导入ANSYS Workbench进行应力和变形分析。图7和图8分别显示了优化后框架的应力云图和变形云图。图7显示了结构优化后框架的等效应力最大为342.86MPa,尽管最大应力仍然出现在中间框架的销孔附近,但应力值小于材料的屈服强度。因此,框架所受应力均在材料的允许应力范围内,从而得出以下结论:结构优化的主框架满足强度和刚度要求。

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图7 优化框架的应力云图 


从等效变形云图8中可以看出,结构优化后主框架的最大变形量为4.268mm,出现在液压缸安装框架与液压缸的接触区域,其变形结果符合要求。因此结构优化后的主框架满足变形量要求。

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图8 优化框架的变形云图   


图9显示了结构优化后的主框架基于失效准则的安全系数(其中安全系数是指工程结构设计方法中用以反映结构安全程度的系数),安全系数低于1即表示材料失效,安全系数较大即表明此处应力较低,从图中可以看出除少数应力集中处的安全系数为1.0062,如插销孔、中间框架与液压缸安装框架的接触区域,其他位置的安全系数均分布在5~15范围内。同时在装配时务必保证主框架各部件间的相对位置关系。

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图9 优化后主框架安全系数   


通过对主框架结构的优化,虽然改善了整个机架的力学性能,但是由于局部加强筋板数目的增多,使得整个机架的质量也相应的增加,由原先的3700kg增至4100kg,增加了10.8%,同时,钢板数量的增加,加大了焊接的难度,并导致焊后的残余应力较大,针对这一问题需要操作者在焊接过程中尽量使用小电流,减少热量输入,尽量对称焊接,从中间往两边,分段退焊,并且焊后热处理消除内应力。

6 结论

通过对拉力试验机主框架的设计研究,可以得到如下结论:利用ANSYS对拉力试验机的三维模型进行有限元分析,可得初始框架的最大应力值为1456.6MPa,最大变形量为12.159mm,通过对局部区域优化后,将主框架的最大应力降低为342.86MPa,最大变形量降低为4.268mm,从仿真结果来看,优化后的框架结构符合了强度和刚度要求。