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浅析直线振动筛横梁产生裂纹的原因

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-08-25  浏览次数:90
核心提示:本文作者:赵喜川 (山西省阳泉固庄煤矿选煤厂)摘 要: 以直线振动筛横梁为例, 从力学、断裂力学及部件材质等方面分析了筛机零

本文作者:赵喜川 (山西省阳泉固庄煤矿选煤厂)
 


 


 

 摘 要: 

       以直线振动筛横梁为例, 从力学、断裂力学及部件材质等方面分析了筛机零部件裂纹的产生及断裂的原因,提出了应对措施。

      山西省阳泉固庄煤矿选煤厂是一座年处理能力为 150 万 吨的矿井型选煤厂。该厂使用的 ZSD1894 直线振动筛具有结构简单、使用可靠、筛分效果好等特点, 适应于中、细粒级煤炭的脱水、脱泥和脱介,也可用于中、细粒级物料的分级。在几年的生产实践中,我们发现该直线振动筛常见的故障有轴承发热、筛分机转数不够、筛分机轴转不起来、运转声音不正常及筛分质量差等,另外,振动筛零部件的裂纹及断裂也常常引发故障甚至影响生产。本文主要从力学、断裂力学及部件材料等方面对裂纹的产生及发展进行分析。

1、 理想工作制度下对筛机零部件的影响

      在实际工作中,筛机部件产生裂纹甚至断裂的常为横梁中间段、筛箱及部分固定螺栓,而其中横梁又是关联性最强的部件。本文以横梁为例,对零部件产生裂纹乃至断裂进行分析。

1、1 力学分析

      将横梁作为简支梁( 且为均布载荷) 进行分析, 由图 1 

可得
 

     q=( m1+m2+m3) g+F/l    RA=RB=1/2ql

式中: m1为横梁质量; m2为筛板质量; m3为物料质量; F 为惯性力;RA与 RB为两支座反力; q 为单位长度载荷; l 为横梁长度; g为重力加速度。

取距 A 点 X 处截取左段梁为研究对象( 图 2) , 

设横截面上的剪力和弯距为正方向和正转向, 则由平衡方程:
 

ΣY=0     RA- Qx- Q=0

得 Q=RA- Qx=ql/2- Qx

ΣM0=0   - RAX+q X*X/2+M=0

得 M=RAX- q X*X/2=ql/2*X- q/2*X2

由图 3 及图 4 可见:

 ①在靠近两支点的横截面上剪力绝对值最大, Qmax=ql/2, 弯矩 M=0; 

②在梁的中点截面上, 剪力 Q=0,弯距最大, Mmax=ql2/8。

 1、2 断裂的产生
 

       在设计过程中,振动筛各构件的屈服极限或疲劳极限均高于工作应力,而且材料也具有足够的延伸率和冲击韧性,因此,分析筛机在使用过程中相关构件产生裂纹的原因尤为重要。

1、2、1 裂纹的产生

       金属材料断裂的前提是因为有引发断裂的核裂纹。这些裂纹有的是材料中的微小裂纹,或者材料中原来没有裂纹而在使用过程中由于某种原因产生的微小裂纹,这些裂纹会因环境因素的影响而急速发展。在工程实际中,横梁内部和表面不可避免地存在某些宏观裂纹或缺陷( 0.1 mm 以上) ,这些缺陷都会引起应力集中。在振动筛的脉动循环交变应力的作用下,应力集中处最早产生裂纹,从而使疲劳极限降低; 同时由于横梁长度较大,内部及表面包含杂质、缺陷的机会也比较多,疲劳裂纹也愈容易发生。由横梁受力分析,我们知道横梁中部所受弯曲应力值最大,故横梁中部缺陷引起裂纹产生的可能性也最大,也最有可能演变为横梁的断裂。

1、2、2 裂纹的发展

       断裂有多种形态,其中塑性断裂及变形断裂有可直观察觉到的变形作为断裂的警告,但是脆性断裂、环境断裂以及大部分疲劳断裂在外观上几乎无任何显示而发生,这就要我们对横梁的断裂演变进行研究。振动筛的各受力部件主要由普通炭素钢 A3、优质碳素结构钢 16Mn 或 45 号钢等制造。这些材料均为塑性材料,在断裂过程中没有明显的屈服阶段,断裂后应有较大的塑性变形。而实际中横梁断裂后的断口无明显的塑性变形,却具有脆性断裂的特征,表明横梁在此处发生低应力脆断。

      大部分横梁裂纹为张开型,它是构件产生断裂的主因。下面对张开型裂纹尖端附近的应力场进行讨论。

设一无限大板,中有一平直裂纹,在垂直于裂纹平面的方向受到均匀拉力 δ 的作用。如图 5 所示,根据线弹性理论,在裂纹尖端附近任 A 处的应

力分量为:

  δx=( δπa/2πr) cosθ/2*( 1- sinθ/2sin3θ/2)δ
 

δy=( δπa/2πr) cosθ/2*( 1+sinθ/2sin3θ/2)

Txy=( δπa/2πr) sinθ/2*cosθ/2*cos3θ/2

式中:rθ代表 A 点的极坐标, r<<a。

由上式可以看出, 参量 δπa 反映了裂纹尖端应力场的强弱程度,

 K1表示,即 K1=δπa       ( 1)

根据断裂力学, 当强度因子 K1达到某一临界值时,

裂纹开始迅速扩展, 即失稳扩展, 直至构件断裂。此临界值为材料断裂韧

度 Kc,即张开型裂纹的失稳扩展条件为

K1=Kc                 ( 2)

对振动筛横梁来说, 取其材料 A3钢许用拉应力

[δ]=392MPa,  Kc=93MN*m2,

将 K1代入式( 1) 和式( 2) , 

得  a=Kc2/δπ

=93*93/392*392*3.14=0.0179 m=1.79 cm

即横梁临界裂纹尺寸约为 1.79 cm。

在静应力 δ作用下, 若构件裂纹尺寸小于临界裂纹尺寸, 裂纹是不会扩展的。但在变应力作用下,裂纹会缓慢扩展, 当其到达临界尺寸时,裂纹将快速扩展以致脆断。

2 非理想工作制度下对筛机零部件的影响

       振动筛是在一定的工作制度下进行工作的,这个工作制度与其动力学因素( 参振质量及弹簧刚度等) 有关。在实际工作中,往往由于更换了不同重量的零部件, 或是将双层筛中某层筛面去掉改为单层筛使用,或当筛箱有裂纹时为加强而焊了钢板, 致使参振质量发生变化; 另外, 给料的不匀和弹簧的损坏或更换都会破坏正常的工作制度,使筛分机的固有频率改变或筛箱的重心便移,导致筛箱产生绕重心的摇摆振动,这些都将对横梁的受力产生影响,从而缩短横梁的使用寿命。

3 、结论

       根据以上对横梁断裂的分析,我们认为延长横梁的使用寿命应做以下几项工作:

 ①、横梁内部缺陷无法处理,但提高横梁表面光洁度,且严禁碰伤是提高其疲劳极限的有效方法,可防止裂纹的提早出现。

②、选材时应注意其强度和韧性的合理配合。对横梁来说,因裂纹产生低应力脆断是主要矛盾,故此时保证材料的韧性是主要的,而不能片面地追求高强度性能指标。

③、定期检查横梁的裂纹情况,若发现大于 1.79 cm 左右的裂纹时就要及早应对断裂的发生。

④、增加给料的均匀度。因为不均匀给料会造成横梁中间段剪力的急剧增大,致使横梁受力发生大变化。

⑤、检查弹簧刚度是否一致,及时更换不合格弹簧。


 


 

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