径锻机浮动盘断裂有限元分析

何雪龙，苏建婷，常潇源，黄艳龙，仲世斌

（兰州兰石集团有限公司，甘肃 兰州 730314）

锻造行业属于基础制造行业，汽车工业、建筑机械、采矿机械、运输机械等的发展都离不开锻造行业的发展。随着我国制造业的快速发展，锻造装备技术水平近年也有很大提高，但与发达国家相比还处于落后状态。径向锻机[1]是集机电液一体化的现代化锻造设备，可极大改善劳动条件，减轻劳动强度，提高产品质量和生产效率，使锻造环境发生根本转变，对促进我国重大装备制造业的技术进步和大型锻压装备的产业化，解决径向锻机长期依赖进口、全面提升我国大型装备制造业总体水平具有重大战略意义。

兰石集团在致力于新技术、新产品、新工艺研发、设计、引进、吸收、消化和应用的同时，始终将注意力集中在打造品质，优化设备关键件上，特别是着重于对易损件浮动盘的研究。目前GFM、MEER 等进口设备的浮动盘正常使用寿命可达10 年左右，而我们自己设计加工的备件仅勉强达到1 年的寿命。为此，公司针对此“卡脖子”技术进行深入研究分析，并在设备上试验验证，最终使其寿命达到3 年以上，保证了国内首台套出口1.6MN 径锻机的整机寿命和品质。

1 浮动盘在径向锻机上的应用

1.1 浮动盘的功用

径锻机主机[2]主要由齿轮箱和锻造箱组成，其中锻造箱是径锻机向工件实施锻打的工作单元，是径锻机的核心部件。而浮动盘是将电机输出扭矩传递到偏心轴，最终实现周期锻打，是锻造箱动力输送的关键部位，承受着较大的交变载荷，其寿命长短影响整个机组的使用效率；同时它也是整个机组中的机械保护点，即设备超载时，浮动盘断裂，从而达到保护电机和锻打单元的目的。如图1 所示。

图1 安装示意图

1.2 实际工况

以1.6MN 径锻机为例，十字浮动盘连接着齿轮和飞轮，并与其一起回转传递运动。该设备每分钟锻打620 次，在锤头锻打锻件时，浮动盘受到冲击载荷，在工作中始终处于交变载荷的作用下，对于浮动盘的强度要求非常高，然而为了保护机组内的其他设备的安全性，又不能无限制的提升浮动盘的强度，需要寻找浮动盘可承受的最大载荷。

国内径向锻机在服役过程中，浮动盘作为易损件，使用寿命基本在12 个月左右，如果断裂进行更换，一般需要20 天到1 个月左右，严重影响了机组的使用效率，增加了使用成本。基于此，兰石集团利用自主研发的十字浮动盘，经过结构、材料、热处理等优化，以及对断裂的浮动盘进行有限元分析，经过多次试验验证，使得兰石集团制造的浮动盘寿命达到3 年以上，大大提高了设备的使用效率，降低了维修成本。

2 浮动盘断裂分析

兰石集团铸锻公司1.6MN 径锻机在连续使用半年后，在生产一批材质为40CrNiMoA 的产品时，出现故障停机，开箱检查发现浮动盘断裂（图2），断口较平齐，无明显塑性变形，为脆性断裂断口。通过扫描电镜观察发现，断口为典型的疲劳断口，疲劳源为加工尖角应力集中处。

图2 浮动盘断裂视图

通过分析，我们对浮动盘的结构进行了优化，从最初的半圆型抗磨块改为卡板式。通过结构修改，使浮动盘本体加工量更小，优化了应力集中点；同时修改了浮动盘材料，将原来的40CrNi2Mo 改为38Cr-MoAl,使浮动盘热处理后效果更好，性能更优。经过大量试验后，应用于某1.6MN 径锻机上，目前已使用超过3 年，无故障。

3 ANSYS 有限元分析[3]

3.1 建模

如图3 所示，以兰石集团生产的1.6MN 径锻机为例[4]，在主动轴上有恒定的扭转速度154.985rad/s，整体施加重力加速度，在锤头上施加1.6MN 作用力。为了模拟实际作用力，力的施加是一个线性变化的过程，锤头锻压一次用时0.04055s，当锤头从最高位置下压到最低位置用时0.02027s，所以在锤头下压过程中受到逐渐变大的作用力，当锤头上升时无作用力。

图3 工况示意图

在刚体分析之后，得出主动轴的最大扭矩为4521600 N·mm。在后续静力分析和动力分析中，将扭矩等效成面作用力，在浮动盘上面作用力为3.855MPa。浮动盘连接飞轮的面上限制位移。具体工况施加如图4 所示。

图4 工况边界施加示意图

如图5 所示，此次分析中，浮动盘的网格划分采用ANSYS MESH 功能[5]，以六面体单元主导的网格类型，采用曲率高级算法进行网格划分。在浮动盘关键部位，精细化网格，避免因网格质量导致结果错误。

图5 网格划分示例

在旋转连接部位设置为相互旋转连接，在存在相互平移的接触上设置为平面连接，在固定连接部位设置为绑定连接形式。为了尽可能满足仿真与实际工况的吻合，在各装配部件的接触部位进行了接触建模，接触类型选择绑定接触。

3.2 静力分析结果

图6 为浮动盘的静力分析等效应力云图，浮动盘的应力远小于径锻机工作时产生的835MPa 的力。所以结构是安全的。

图6 浮动盘静力分析应力云图

3.3 振动分析结果

径锻机锤击的频率按照点击转动速度来计算，周期t=60/1480s，f=1/T=24.666Hz。从分析结果来看（表1），浮动盘前六阶固有频率因无约束均接近0，第七阶固有频率为最低频率，最小为158.38Hz，远大于锤击的频率24.666，所以不存在共振的影响。

表1 浮动盘振动频率

3.4 显式动态分析

图7 是浮动盘具有旋转速度的动态分析[6]结果，最大等效应力远远超出了屈服强度，浮动盘的应力最小为3803MPa。

图7 浮动盘0.01ms 时等效应力云图

从动态分析来看，动态的作用下结构承受的应力非常大，所以在结构装配时，应该尽量避免动态冲击的作用。

显式动力分析结果中最大等效应力远远超出了屈服应力，原因有两个方面：①模型边界的处理问题，在实际工况中，浮动盘连接飞轮的接触位置是旋转运动的，而模型简化时将浮动盘的一侧设置为位移限制，导致动态旋转作用下形成瞬间的冲击速度较大，从而出现极大的应力；②结构的原因，最大的应力出现在倒角的边沿处，这样的结构形式在动载情况下，会出现极大的应力。

4 结束语

通过有限元分析发现，现有的浮动盘材质满足工况要求，在加工过程中需要优化应力集中点。同时设备安装是结构整体的同步和对称，对于径锻机浮动盘影响很大，如锤头在锻压过程中，由于结构装配的精度和尺寸有差异，比如某一个锤头较长，那么该锤头承受的作用力会增大，从而导致浮动盘承受更大的扭矩，导致破坏。所以，要特别注意四个锤头的对称，保证锻压受力均匀。最后在结构加工装配时，应该尽量减小浮动盘与大齿轮和飞轮之间的间隙，避免动态冲击的作用，冲击作用下应力极大。

经过结构优化，同时调整加工工艺及装配工艺后，目前浮动盘在径锻机上的使用寿命可以达到3年以上。