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某廠地下卷取機(jī)有三個(gè)助卷輥，在圓周方向均勻分布，其開合是由三個(gè)液壓缸分別控制助卷輥支臂的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際工作中，助卷輥支臂多處焊縫開裂，根據(jù)現(xiàn)場卷取X70管線鋼時(shí)進(jìn)行的測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，助卷輥承受的載荷最大，因此對(duì)助卷輥支臂進(jìn)行三維有限元分析。
助卷輥支臂的結(jié)構(gòu)和載荷均對(duì)稱于截面，因此從截面切開，取其1/2作為研究對(duì)象。由于支臂在工作過程中，兩邊用于裝定位銷的耳環(huán)及安裝導(dǎo)衛(wèi)板的托架不受力，因此將其省略，不會(huì)影響整個(gè)支臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。計(jì)算模型只選取原結(jié)構(gòu)的1/2，因此其對(duì)稱面上Z方向的位移為零，支臂懸掛在銷軸上，取與銷軸配合的圓柱面在X方向、Y方向的位移為零。卷取機(jī)卷取帶鋼時(shí)，助卷輥只在卷取帶鋼的頭部和尾部工作，即僅在卷頭和卷尾時(shí)對(duì)鋼卷施加力。通常狀態(tài)下，助卷輥在卷取尾部時(shí)施加的力最大，因此在計(jì)算中，采用在卷尾時(shí)的實(shí)際載荷進(jìn)行計(jì)算。由于助卷輥施加的力無法直接測量，將油缸工作時(shí)施加的力折算到助卷輥上，對(duì)于不同卷徑的鋼卷，助卷輥施加的力與油缸施加的力相對(duì)于固定銷軸的力臂比值不是恒定的，因此對(duì)于不同卷徑應(yīng)分別計(jì)算它們之間的力臂比值。計(jì)算載荷采用卷取X70，管線鋼時(shí)的最大載荷，卷取終止時(shí)鋼卷直徑為1900mm，對(duì)應(yīng)此卷徑和卷取機(jī)的初始狀態(tài)，用軟件找出助卷力與油缸驅(qū)動(dòng)力分別對(duì)固定銷軸的力臂以及助卷力和油缸驅(qū)動(dòng)力的方向。
由圖可知，油缸驅(qū)動(dòng)力與助卷力相對(duì)于固定銷軸的力臂之比為125f，即助卷力為油缸驅(qū)動(dòng)力的1256倍。據(jù)設(shè)計(jì)資料，現(xiàn)場測試中，助卷力最大時(shí)刻對(duì)應(yīng)的則油缸驅(qū)動(dòng)力F=84399kN，助卷輥施加力由于計(jì)算模型只取原結(jié)構(gòu)的1/2，因此油缸驅(qū)動(dòng)力與助卷力也只取其1/2，連桿的平面光彈性試驗(yàn)證明，油缸連桿施力沿耳環(huán)周向呈余弦分布。如圖所示，表面力F'作用在油缸耳環(huán)圓弧AB上，圓弧AB所張的圓心角，A,B兩點(diǎn)關(guān)于Y'軸(油缸驅(qū)動(dòng)力方向)對(duì)稱，F(xiàn)'在圓弧AB上是按余弦規(guī)律分布的，即將pu分解到垂直與水平方向，計(jì)算其在角度內(nèi)的各分量總和PY,Px，分配到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。這樣，就可得到在圓弧AB上各節(jié)點(diǎn)處的表面力向量，助卷輥通過軸承座安裝在支臂上，助卷力的反作用力通過軸承座傳遞到支臂上，軸承座與支臂接觸處的尺寸。將助卷力的反作用力分解到X方向和Y方向上，圖中A面承受X方向的分力，B面承受Y方向的分力，兩者均可視作均布載荷。
三維有限元計(jì)算表明，整個(gè)結(jié)構(gòu)既存在三向受拉應(yīng)力狀態(tài)，又存在三向應(yīng)力其他狀態(tài).三向受拉區(qū)主要分布在支臂的后面板和油缸耳環(huán)背板，應(yīng)力值為200MPa左右，其最大值發(fā)生在耳環(huán)背板與支臂箱形梁面板的過渡區(qū)域，為27151MP。其他區(qū)域?yàn)榉侨蚴芾瓍^(qū)，等效應(yīng)力值大部分在100MPa以下，應(yīng)力較大的區(qū)域集中在油缸耳環(huán)筋板上，有很小一塊區(qū)域應(yīng)力超過225MP，在應(yīng)力集中處應(yīng)力值高達(dá)66459MPa卷取機(jī)在卷取過程中，助卷輥不參加工作；只有在卷頭和卷尾時(shí)，助卷輥施加助卷力。由現(xiàn)場測試卷取X70管線鋼情況知，在卷尾時(shí)每卷鋼對(duì)助卷輥平均拍打5次。因此，助卷輥支臂的受力實(shí)際上是一種脈動(dòng)疲勞問題，應(yīng)按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。
循環(huán)次數(shù)按生產(chǎn)管線鋼計(jì)算，每卷鋼約重30t，每卷鋼對(duì)助卷輥的拍打平均為5次，因此其循環(huán)次數(shù)為10s，支臂受力狀況實(shí)際上是一個(gè)彎曲過程，因此應(yīng)取彎曲疲勞極限作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。助卷輥支臂主要是由兩種材料的鋼板焊接而成，支臂前后面板為16Mr，其余部位均為Q235A。材料的S-N曲線可表示為妙為循環(huán)次數(shù)；由有限元計(jì)算可知，助卷輥支臂的面板上既存在三向受拉應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域，又存在三向應(yīng)力其它狀態(tài)區(qū)域。在三向受拉區(qū)域，應(yīng)用其最大主應(yīng)力作為強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)，其最大值為271MPa，小于16Mr的彎曲疲勞極限，此區(qū)域是安全的。
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