机械设计与制造 第６期 １２６ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ２０１０年６月 文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０６—０１２６—０２ 薄壁管体缩径旋压变形特性分析 刘鹏 朱命怡 李长胜 武良臣 （ 河南机电高等专科学校，新乡４５３００２）（ 河南理工大学，焦作４５４０００） Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｎ ｔｈｉｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｔｕｂｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ＬＩＵ Ｐｅｎｇ ，ＺＨＵ Ｍｉｎｇ—ｙｉ ，ＬＩ Ｃｈａｎｇ—ｓｈｅｎｇ ，ＷＵ Ｌｉａｎｇ－ｃｈｅｎ （ Ｈｅｎａｎ Ｍｅｃｈｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉｎｘｉａｎｇ ４５３００３，Ｃｈｉｎａ） （。Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００，Ｃｈｉｎａ） ●◇●◇●＜＞●＜＞●◇●＜＞●◇・◇●◇●＜＞●＜＞●◇●◇●◇●＜＞・＜＞●＜＞●＜＞・◇・＜＞●◇・◇・◇●＜＞●＜＞・＜＞●＜＞●０・＜＞・＜＞●＜＞●◇・（＞・＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞● 【摘 要】新研制的整体式无心轴托辊是在薄壁管体两端直接缩旋出轴颈得到的，通过托辊缩径旋５ ６压试验，本文总结了薄壁管体的变形过程，分析了薄壁管体缩径旋压塑性变形规律，缩径旋压的成形机９ ２理，缩径旋压过程中金属性能的变化，以及缩旋中缺陷的产生及控制方法。 ｙ 关键词：薄壁管体；托辊；缩径旋压；旋压变形 ｊ ６ 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｕｎｉｔａｒｙ ｓｐｉｎｄｌｅｌｅｓｓ ｒｏｌｌｅｒ ｔｕｂｅ ｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｇａｉｎｅｄ ｂｙ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ９ ９ ｔｈｉｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｔｕｂｅ ｉｎ ｂｏｔｈ ｅｎｄｓ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｏｌｌｅｒ ｔｕｂｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｓｐｉｎｎｉｎｇ，ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｔｈｉｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｔｕｂｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ， ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｓｐｉｎｎｉｎｇｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｅｍｔａｌ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔ ｔｅｃｈ一６ ６ ｎｉｑｕｅ ｉｓ ｎａａｌｙｚｅｄ． ．９ ： ＾ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｈｉｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｔｕｂｅ；Ｒｏｌｌｅｒ；Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｓｐｉｎｎｉｎｇ；Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ 、 ●＜＞・＜＞●＜＞●◇●◇●＜＞・０●◇●＜＞●＜＞●＜＞●◇●◇●＜＞・＜＞●◇●＜＞●◇・◇●＜＞●◇●◇・◇●＜＞●◇・＜＞●◇●＜＞●＜＞●＜＞・＜＞●◇●◇●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞● 中图分类号：ＴＨ１６文献标识码：Ａ ｌ ｌ了ｌ百 通过无心轴托辊缩径旋压试验，分析托辊管体的变形过程， 带式输送机广泛用于矿山、港口等工作场所，托辊是带式输 掌握托辊管体缩径旋压成形过程的变形特点，就能确定出恰当的 送机的主要部件，用量很大。针对现有托辊结构存在的缺陷， 哦 薄壁管体缩径旋压工艺参数。 们研制出无心轴新型托辊，其托辊结构，如图１所示。整体旋压式 ２旋压变形过程 无心轴托辊的特点是托辊管体零件采用旋压工艺加工成半轴结 薄壁筒形件缩径旋压属于局部渐进塑性变形，变形过程中工 构，而轴承安装在辊子两端的半轴上。 件上各节点的位移、应力和应变的分布是很不均匀的，且塑性区 被周围大量的弹性区所包围，弹性区和塑性区的位置在旋压过程 中又处在不断的变化之中［３１。 一个工件的典型道次旋压过程包括起旋、稳定旋压和终旋三 个阶段。在稳定旋压阶段，变形力稳定，缩径旋压成形过程易于控 图１无心轴托辊 制。与稳定旋压阶段不同，在起旋和终旋阶段，变形力陡升陡降， 托辊管体壁厚较薄回，薄壁管体缩径旋压成形机理和变形特 变形情况较复杂，是重要的控制阶段。 性缺乏可供参考的数据。因此，有必要对薄壁管体的缩径旋压成 当旋轮开始接触毛坯时，旋轮应在毛坯稳定旋转之后与其相 形进行深入研究，以便确定恰当的工艺方法。根据托辊管体旋压 接触。旋轮与毛坯有较大的速度差和摩擦，变形力和变形不均匀， 要求，选择专用螺纹车床Ｑ１３１９—１改造为托辊缩径旋压试验装 根据毛坯厚薄不同会产生局部弯曲或压印。当旋轮圆角半径太大 置，无心轴托辊缩径旋压装置结构，如图２所示。 时，出现类似无压边拉深的情况，使毛坯表面产生褶皱。当毛坯较 薄时，缩径量过大，工件前端外缘会形成局部隆起和变形 。 对于薄壁筒形件缩径旋压，当旋轮接近外伸凸缘，凸缘各部 分变形不均，更易形成应力集中、以至破裂。因此通常使终旋点与 毛坯边缘保持一定距离以排除在终旋阶段出现非稳定变形的可 ｒｌ！昭 ｆ —— 能性，外端多余金属可以最后铣削去除。 ３整体式托辊缩径热旋压成形机理 整体式托辊是用钢管做坯件，采用空气模（无芯模），工件加 图２无心轴托辊缩径旋压试验装置 热后按正、反程旋压制成的，旋轮与工件的接触部分是一个小曲 ★来稿日期：２００９—０８—１５ 第６期 刘鹏等：薄壁管体缩径旋压变形特性分析 １２７ 图３缩径变形示意图 在缩径变形区２内，各质点受应力作用而发生流动。接近内 表面Ａ处的质点受到三向压应力作用，而接近外面日处的质点 受复杂的拉压应力作用，使质点在径向和轴向流动，从而产生塑 性变形。 实际上这种变形的分析较为复杂，为了得出有实用价值的结 论，我们对外径＋＝１０８ｍｍ，壁厚ｔ＝４ｍｍ，材质为２０＃钢的无缝钢 管进行了缩径热旋压试验，研究缩径旋压塑性变形的规律。 若测点 （ 处壁厚的实际变化量为 ，外径的实际变化量 为５ａ９，则相对变化量分别为Ａｔ／ｔ和ＡＤ／Ｄ，根据试验所得数据可 知，壁厚相对变化量与外径相对变化量之间关系，如图４所示。 ０ ００５ ｏ．１ ０】５ ０ ２ ０ ２５ ０ ３ △Ｄ，Ｄ ＼ —Ｏ．Ｏ５ ／２ ０ １ ， １ ，３ ｏ １５ ｏ．２ △ｔ＾ 图４壁厚相对变化量与外径相对变化量的关系 此图表明，随着外径的减少，壁厚是减薄的，但减薄率不超过 ２０％，在热旋压过程中，材料的存在径向流动，但减薄量可以控制 在一定的范围内。 此外，我们还对试件旋压部分轴向尺寸的变化进行了研究得 出了在外径，Ｊ和壁厚ｔ一定的条件下，若设△ 为轴向尺寸增 量， 为原来长度，则轴向尺寸与外径相对变化量之间的关系，如 图５所示。 图５轴向的变化 由此图可知，热旋压过程中存在着材料的轴向流动，它使旋 压部分的轴向尺寸产生较小变化。 综合图３和图４，我们可以得出一条重要结论，ｚＳＪＤ／Ｄ＜￣Ｏ．２ 时，对材质均匀的钢管进行热旋压，其壁厚的相对变化量Ａｔ／ｔ大 约为相对缩径量ＡＤ／Ｄ的１／４，而被旋压部分轴向长度的相对变 化量 大约也为相对缩径量ＡＤ／Ｄ的１／４。若定义： １ — ｜ｔ １ 一 ｉ ｜Ｌ ｈ、 一 一 ¨ 则有 ｌ—ｋ２—１／４ 试验研究还表明，采用热旋压时道次问的缩径量受钢管稳定 性的，如果缩径太大，会产生旋轮前隆起堆积、破裂、压皱等 缺陷。从试验过程可知，每道次的缩径量应根据外径，Ｊ和壁厚ｔ 的比值确定。随着Ｄ／ｔ减少，即壁厚增大，许用相对缩径量明显增 大。实际上，热旋压过程中，ｔ增大而Ｄ减小，故Ｄ／ｔ的变化却不显 著，也就是说相邻道次之间的ＡＤ／Ｄ值变化很大，但实际的ＡＤ 值变化却不显著（Ｄ在减小），这对合理设计旋压轮尺寸是有利 的。一般可取ＡＤ＝６—１２ｍｍ，若设每次的缩径量ＡＤ相同，毛坯的 外径为Ｄ。，经过Ｎ道次旋压，制件缩旋的轴颈为Ｄ ，则有： Ｄ ＝Ｄｏ—ＮＡＤ Ｎ＝ △ 由此式可以确定热旋压道次数Ｎ，托辊的旋压次数为（５－６）次。 ４缩径旋压组织性能变化 旋压加工过程中，由于旋压变形主要是滑移，因而坯料的金 属晶粒在三向变形力的作用下，沿变形区滑移面错移。晶粒的伸 长随着变形量增加而增加。滑移面各滑移层的方向与变形方向十 分一致，因此，金属纤维保持连续完整。由于金属晶格结构中的应 变，旋压制品的强度提高，即制品硬度、抗拉强度和屈服极限增 加。缩径热旋压后的坯料金属组织结构，如图６所示。 图６热旋后微观组织（ｘｌＯ０） 在缩径旋压过程中，弯角形状和直边部位在旋压的环向压缩 应变作用下形成，并经受了剧烈的应变，因此缩径旋压卸载后这 两个部位的残余应力最大。影响旋压件中残余应力的大小及其分 布的主要因素有：旋轮对坯料的摩擦、旋压件的壁厚、金属的组织 与性能、旋压过程中温度的变化、工艺因素等。 旋压过程中，在整个壁厚方向上，轴向残余应力的绝对值比 切向残余应力的绝对值大，这也说明筒形件旋压时，切向变形量 较小，工作内残余应力的总趋势呈外压内拉的分布形式。 ５缩径旋压缺陷分析及控制 旋压成形属无切削加工工艺，加工过程是连续局部塑性成 形，由于旋压过程与诸多因素有关，如旋轮圆角半径、旋轮的进给 量、旋压道次数、旋压轨迹等，旋压后的工件表面容易产生起皱和 局部变薄以及拉裂等缺陷。 （１）由切向的压应力产生皱褶。 在变形区切向主要是由旋轮施加的旋压力，在薄壁的切向产 生弯曲。同时，由于变形区的直径成形后要减小，这样又要产生一 个切向压应力，因此变形区的切向应力为两个应力的合力。由于 机械设计与制造 １２８ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第６期 ２０１０年６月 文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０６—０１２８—０２ 混流式水轮机转轮叶片频率可靠性分析木 李兆军杨旭娟蔡敢为 周晓蓉 （广西大学机械工程学院，南宁５３０００４） Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｕｎｎｅｒ ｂｌａｄｅ ｏｆ ｆｒａｎｃｉｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ＬＩ Ｚｈａｏ－ｊｕｎ，ＹＡＮＧ Ｘｕ－ｊｕａｎ，ＣＡＩ Ｇａｎ－ｗｅｉ，ＺＨＯＵ Ｘｉａｏ—ｒｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００４，Ｃｈｉｎａ） 【摘要】以混流式水轮机为研究对象，应用有限单元法建立转轮叶片的动力学方程，根据转轮叶片 的频率方程计算转轮叶片的固有频率，依据水流激励频率与转轮叶片固有频率之差在规定范围内的关系 准则，推导转轮叶片的共振失效概率和可靠度的计算公式，并通过实例对混流式水轮机转轮叶片的频率 可靠性进行分析。 关键词：混流式水轮机；转轮叶片，Ｉ频率可靠性 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｆｒａｎｃｉｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｓ ａｎ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｕｎｎｅｒ ｂｌａｄｅ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｉｆｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎ－ ｃｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｕｎｎｅｒ ｂｌｄｅ ａｌａ＇ｅ ｏｂｔａｉｅｄ．Ａ ｎｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｄｒｉｖｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｓｐｅｃｉｉｃ ｖａｆｌｕｅｓ，ｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｅ ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ，ｂｙ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｔｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌｉｂｉａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｕｎｎｅｒ ｂｌｄｅｓａ ａｒｅ ｒｅｓｐｅｔｉｖｅｌｙ ｃａｌｃｕｌｔｅｄ．Ｆｉａｎａｌｌｙ， ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ｒｕｎｎｅｒ ｂｌｄｅｓａ ｏｆＦｒａｎｃｉｓ ｔｕｒｂｉｅ ｉｎｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｒａｎｃｉｓ ｔｕｒｂｉｎｅ；Ｒｕｎｎｅｒ ｂｌａｄｅ；Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ 中图分类号：ＴＨ１１３文献标识码：Ａ １引言 转轮作为水轮发电机组的主要受力和传力部件，直接与携能 水流发生相互作用，是机组水流激励的源头所在。而转轮叶片是 具有复杂曲面的过流部件，其动力学特ｌ生在很大程度上受到流体 的影响，在水流激励的作用下，其产生的振动问题十分复杂 。 本文以混流式水轮发电机组转轮叶片为研究对象，根据水流 激励频率与转轮叶片固有频率之差在规定范围内的关系准则，建 立转轮叶片的共振失效概率和可靠度的计算公式，并在此基础上 应用可靠性理论对转轮叶片的频率可靠性问题进行分析。 ２转轮叶片振动特性分析 应用有限单元法将水轮机转轮叶片离散为有限个单元，若将 转轮叶片的异常振动将对其本身产生许多不利的影响，例如 节点速度向量和节点绝对加速度 破损、变形、失去弹性等，有时甚至会出现工作失效的现象，这些 转轮叶片结构的节点位移向量、不利影响最终将导致机组完成不了预定的功能而失效。因而为了 向量分别用ｕ、吐和ｕａ表示，水流作用于叶片有关节点的动水压力 确保水轮发电机组能正常工作，对转轮叶片频率可靠性问题进行 向量用Ｐ表示，水轮机转轮叶片的质量矩阵和刚度矩阵分别用ｍ 研究是十分必要的。 和 表示，则转轮叶片的动能 和势能Ⅳ可分别表示为 ： 女来稿日期：２００９—０８—２２ ★基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５６５００１），广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任课题 （桂科能０７１０９００８＿００３＿Ｚ），广西自然科学基金资助项目（桂科自０９９１０５５） 在薄壁的切向存在压应力，使得薄壁在旋制过程中就有可能出现 出现的起皱或断裂等旋压缺陷，旋压比不能超过一定的值。 失稳起皱的现象。为了克服这种现象，可适当地减少旋压比，减小 ６结论 薄壁管体缩径旋压成形过程中，金属在旋压力的作用下产生 旋轮圆角半径。此外，旋压道次数过少，旋轮圆角半径太大，进给 太慢也会产生起皱、打褶现象。 （２）由切向的拉、压应力及交变弯曲应力产生径向断裂。 径向和轴向流动，缩径处壁厚会减薄，减薄率约为管体相对缩径量 ＡＤ／Ｄ的１／４。对于壁厚 ｍｍ的托辊，壁厚的减薄不超过２０％，这 在对初始产生的皱褶进行滚光时，在皱褶处会产生弯曲应 是符合托辊强度要求的。缩径旋压成形过程中，合理选择旋压道次、 力。不断的拉、压应力及交变弯曲应力造成了径向断裂。 旋轮圆角半径及进给速度可以有效地控制旋压中缺陷的产生。 （３）由径向的拉应力产生切向断裂。 参考文献 ２李长胜，刘鹏，武良臣整体式无心轴托辊缩颈旋压工艺参数的确定［Ｊ］．农 业机械学报，２００４（４）：１５９～１６２ Ｊｊ．煤矿机电，２ｏｏ４（１）：４６，－４８ 缩径旋压的轴向进给力使薄壁在环形横截面上产生径向拉 １刘鹏．整体无 轴托辊几何参数分析［应力。此拉应力导致了薄壁弯角处的切向断裂。在切向断裂产生 前会出现管壁厚度的明显变薄。旋压方案不合理，旋压道次数过 ３叶山益次郎．回转塑 Ⅱ工学［Ｍ］．北京：近代编辑社，１９７５：４１０，－．４２３ 多，旋轮圆角半径太小，进给太快等都会产生断裂。为了避免上述 ４王仲仁．塑性加工力学基础［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８９：８１～８５
