1、中国冶金装备网中国冶金人的网大方坯拉矫机油缸螺栓断裂失效分析及改进摘 要：为拟制大方坯连铸机的拉矫机主压下油缸的八根连接螺栓频繁发生断裂失效，技术人员根据该油缸的连接固定结构以及工作载荷特征，利用有限元数值分析方法对其进行等比例三维仿真分析，并依据分析结果提出了一系列针对性的改进方案。依据该改进方案进行改造的油缸在现场进行使用后发现，该油缸性能稳定可靠，没有再次发生类似的断裂事故。本次对油缸的改造分析，为类似液压油缸的载荷能力分析提供了一套科学合理的分析方法。1. 前言拉矫机在连铸生产中起拉坯、矫直铸坯及传送引锭杆的作用，其作为连铸设备的核心设备之一，设备性能的好坏直接决定铸机产能与质量稳定。
2、方坯连铸机的通常布置有四到六台拉矫机，为典型的框架型液压夹紧结构：其上设有主压下油缸与四根导向立柱，上辊为驱动辊，下辊为从动辊 【1】 。某炼钢厂在几年前引进一台意大利供应的先进大方坯连铸设备，在生产大规格铸坯时，拉矫机的主压下油缸的八根连接螺栓频繁发生脆断，造成铸机紧急停车，严重影响铸机产能。基于此，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，寻找该油缸的薄弱环节，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：
3、在稳定生产期间或在到送引锭杆期间，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 DANIELI 公司提供的组合式油缸；其断裂照片如下：图 1 油缸底部法兰螺栓孔处的断裂实物照片基于此，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。其与上框架的连接形式如下：螺栓断裂形貌螺栓断裂形貌中国冶金装备网中国冶金人的网图 2 主压下油缸与框架的连接剖视图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
4、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即可；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。在分析完油缸的外载荷特征后，再对油缸本体进行载荷分节，具体如下：图 3 主压下油缸内部结构剖视图基于图 3 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） 固螺栓所承受的载荷力水平仅为
5、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，具体如下：2.3. 有限元建模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，具体如下：中国冶金装备网中国冶金人的网图 4 主压下油缸等比例 1/4 实体模型及有限元网格模型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 【2】 ，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
6、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 【3】 ，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，分布在螺孔区域图
7、 5 连接螺栓以及底部圆盘的等效应力分布云图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应力集中区域-2应力集中区域-1中国冶金装备网中国冶金人的网图 6 底部法兰以及中部圆筒的等效应力分布云图由此总结分析结果，得如下表格：表 1 计算结果参数表序号 零件名称 等效应力水平 分布区域 危险指数1 连接螺栓 551Mpa 螺杆与螺母的连接区域，即螺杆的端部区域 与材质强度极限相当，极易断裂2 底部圆盘 278Mpa 分布在螺孔的内壁，该区域与螺杆的最高应力区域为接触区容易发生塑性变形3
8、底部法兰 56.9Mpa 分布在螺孔与外壁面的连接区域，该法兰应力分布均匀，设计合理可靠！安全可靠4 中部圆筒 484Mpa 分布在螺孔内部与螺栓接触的区域 极易发生变形与断裂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 【4】 【5】 。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，对设计商提出如下改进建议：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
9、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，其应力集中区域-4应力集中区域-3中国冶金装备网中国冶金人的网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
10、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。参考文献:1 封世群、董林. 包钢大方坯连铸机先进性及拉矫机结构分析J. 包钢科技，2002(8):2931；2 邢静忠、王永刚、陈晓霞等. ANSYS7.0 分析实例与工程应用 M. 北京：机械工业出版社. 2004；3 尚晓江、邱峰、赵海峰等. ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用. 北京：中国水利水电出版社.2006；4 徐灏. 机械设计手册（第一卷）M. 北京：机械工业出版社. 1998；5 刘鸿文. 材料力学第三版M. 北京：高等教育出版社.1999：P326P327 ；（文章来源：中国冶金装备网 ）
