CN102809506B - 立式离心铸造机铸型锁紧结构的强度校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心铸造技术领域，具体涉及一种立式离心铸型锁紧结构的强度校核方法，一是对所述锁紧结构的锁紧螺栓进行强度校核，在铸型没有破碎的状态下对锁紧螺栓进行强度校核，进一步在铸型破碎的状态下对锁紧螺栓进行强度校核，包括铸型碎块冲击或剪切锁紧螺栓及高温金属液冲刷锁紧螺栓两种异常状态下的强度校核。二是对所述锁紧结构的压板进行强度校核，包括对压板受到垫套剪应力进行校核及对压板受到盖板向上的弯应力进行校核。本发明的有益效果是通过在设计阶段对铸型锁紧结构进行强度校核，可有效地防止因锁紧结构的部件发生高温失效而导致的高温金属液顶喷事故发生，极大地增强了浇注过程中的安全性。

Description

立式离心铸造机铸型锁紧结构的强度校核方法

技术领域

本发明属于离心铸造技术领域，具体涉及一种立式离心铸造机铸型锁紧结构的强度校核方法。

背景技术

传统方法设计的铸型的金属筒套与盖板以及铸型与离心机底盘的锁紧方式是依靠铸型本身的螺钉或螺栓进行锁紧，在高温金属液体浇入铸型后，铸型温度急剧升高，螺钉处于高温工作状态，力学性能受到很大影响，当螺钉因为高温失效时，盖板被掀起，从而发生高温金属液的顶喷事故，造成极大的人员和财产损失；为此，专利申请号为201210256878.2的中国发明专利申请公开了一种立式离心铸造机的铸型及铸型锁紧结构。该铸型包括底板、盖板和金属筒套三个部分，离心机底盘上设置有与立式离心机主轴同心的圆形凹槽，底板置于离心机底盘的相应圆形凹槽内定位，离心机底盘的圆形凹槽四周均布M个螺栓孔，金属筒套下部与所述底板接触，金属筒套上部与盖板接触，所述盖板上还设置一层对应型号压板，压板为圆环状，压板内圆直径大于对应型号盖板的浇口凸台外缘，压板外圆的直径大于盖板的直径，压板边缘设置多个开有螺栓槽的凸出部，每个螺栓槽与所述离心机底盘上的螺栓孔对应，并用锁紧螺栓将对应的底盘螺栓孔和压板螺栓槽锁紧。通常情况下，都是通过压板上的垫套用螺帽将锁紧螺栓和压板锁紧。传统方法设计的锁紧装置只是针对安装在铸型本身的螺钉及螺栓进行强度校核，而不是针对如专利号为201210256878.2的专利所述的立式离心铸造机的铸型及铸型锁紧结构中位于铸型之外的锁紧螺栓与压板进行强度校核；传统校核方法只是以被损害部件在高温条件下的屈服强度作为强度校核依据，传统校核方法只是在发生安全事故后对损害部件进行事后鉴定，无法防止顶喷事故的发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是通过在铸型设计阶段对铸型锁紧结构进行强度校核，提供一种防止盖板被掀起，从而发生高温金属液顶喷事故的立式离心铸造机铸型锁紧结构的强度校核方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种立式离心铸造机铸型锁紧结构的强度校核方法，所述铸型包括底板、盖板和金属筒套三个部分，铸型与离心机底盘之间通过固定在离心机底盘的锁紧螺栓，用压板将铸型整体锁紧在离心机底盘上，从而压板、锁紧螺栓与离心机底盘一起能够形成一个顶盖笼栏式结构，对锁紧结构的锁紧螺栓进行强度校核，

1)、铸型没有破碎的状态下，当

时，拉应力对锁紧螺栓没有产生破坏。

式中：σ₁为锁紧螺栓受到的拉应力，Pa；[σ₁]为锁紧螺栓在高温下的许用应力，Pa；ρ_液钢为金属液的密度，kg/m³；n为铸型转速，rpm；R为铸件外圆半径，m；r₀为铸件内圆半径，m；M_盖板为盖板的质量，kg；M_压板为压板的质量，kg；M为所选定压板的锁紧螺栓数量；S_螺栓为单根锁紧螺栓的有效面积。

2)铸型碎块冲击或剪切锁紧螺栓的状态下，当产生铸型碎裂的情况，液体金属及铸型碎块产生侧飞，质量为ΔM_铸型的铸型碎块，以ΔM_铸型Rω²的力对锁紧螺栓进行冲击或剪切，但这个力的大小无法确定，这种情况下，采用拉应力来代替弯应力或剪切应力，通过取较大的安全系数来进行强度校核。锁紧螺栓受到冲击或剪切时，材料的许用应力＝极限破坏应力σ_u/安全系数K，对于脆性材料，σ_u取σ_b，对于塑性材料，σ_u取σ_0..2，K为安全系数，K＝9～11。对锁紧螺栓的强度校核公式为：当

时，冲击应力对锁紧螺栓没有产生破坏。

式中：σ_u为锁紧螺栓材料的极限破坏应力，Pa；对于塑性材料σ_u取屈服强度σ_0.2。K为安全系数，K＝9～11。

3)、铸型破碎后高温金属液冲刷锁紧螺栓的状态下，当

时，高温金属液导致部分锁紧螺栓失效而不会产生顶喷事故。

式中：[σ₁]为锁紧螺栓在高温下的许用应力，Pa。

以上状态3)是对状态1)的强化，表示在均匀分布条件下只用正常状态下三分之一数量的锁紧螺栓就能满足状态1)受力锁紧的功能。状态2)和状态3)的强度校核必须同时得到满足，若不能同时得到满足，则应考虑增加锁紧螺栓数量、增大锁紧螺栓的有效面积S_螺栓以及选用高温力学性能更好的螺栓材料。

还对所述锁紧结构的压板进行强度校核：

1)、对压板受到垫套剪应力进行校核，当

时，剪应力对压板没有产生破坏。

式中：τ为剪应力，Pa；[τ]为许用剪应力，Pa；S_垫套为每个垫套与压板之间的有效剪切面积S_垫套＝(πD_垫套－2b)×δ_压板，m²；D_垫套为垫套外径，m；b为压板凸出部螺栓槽的宽度，m；δ_压板为压板厚度，m。

2)、对压板受到盖板向上的弯应力进行校核，弯应力校核公式为：当

时弯应力对压板没有产生破坏。

式中：σ₂为压板受到盖板向上的弯应力，Pa；[σ₂]为许用弯应力，Pa；S_压板为压板内、外圆之间的投影面积S_压板＝π(D²－d²)/4，m²；D为压板的外径，m；d为压板的内径，m。一般情况下，在相同材质的材料许用弯应力大约为许用应力的1.2倍，为保守起见，我们将许用应力来代替许用弯应力[σ₂]进行计算。

本发明的有益效果是通过在设计阶段对铸型锁紧结构进行强度校核，可有效地防止因锁紧结构的部件发生高温失效而导致高温金属液顶喷事故的发生，极大地增强了离心铸造过程中的安全性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明实施例立式离心机铸型锁紧结构示意图；

图2为本发明实施例立式离心机铸型锁紧结构的压板及垫套配合示意图；

图3为本发明实施例立式离心机铸型锁紧结构的锁紧螺栓结构图。

具体实施方式

本实施例的立式离心铸造机铸型锁紧结构的强度校核方法涉及的立式离心铸造机型号为J5520B型，主电动机功率为75kW，主轴最高转速为500rpm，能无极调速，该设备适宜于单件小批量生产。该离心机能生产的铸件尺寸范围：最大外径为Ф2000㎜，最大高度为500㎜，离心机底盘5承载重量W(W_铸件+W_铸型)在10t以内，设备整机(包括离心机底盘5)安装在地平面以下的钢筋混凝土地坑之内，铸型则在地平面以上的钢筋混凝土防护墙内，上面安装钢板防护系统。钢板防护系统为大小两块防护罩，大防护罩为固定式结构，主要用于安装设备使用，小防护罩主要用于铸型的吊离及取件、浇注时使用，防护罩钢板厚度为5㎜。

如图1所示，铸型结构包括底板4、盖板7和金属筒套2三个部分，铸型与离心机底盘5之间不依赖螺钉锁紧及定位，通过固定在离心机底盘5的锁紧螺栓3，用压板6将铸型整体锁紧在离心机底盘5上，从而压板6、锁紧螺栓3与离心机底盘5一起能够形成一个顶盖笼栏式结构。采用在盖板7之上的压板6锁紧方式，压板6不与铸件直接接触，温度较低；采用在铸型之外的螺栓锁紧方式，锁紧螺栓不与高温状态下的铸型直接接触，温度也较低。对于铜合金铸件，压板最高温度低于130℃；对于铸钢件或铸铁件，压板最高温度低于170℃。对于铜合金铸件，锁紧螺栓上端温度低于80℃，锁紧螺栓下端底盘处的温度大约为110℃～140℃；对于铸钢件或铸铁件，锁紧螺栓上端温度低于120℃，锁紧螺栓下端底盘处的温度大约为140℃～170℃。

锁紧螺栓4是锁紧装置的关键部件，材质选用40Cr钢，调质处理。锁紧螺杆上端螺纹根部的最小直径为Φ31.6㎜，有效应力截面积S_螺栓＝788㎜²；螺杆下端螺纹根部的最小直径为Φ37.1㎜，有效应力截面积S_螺栓＝1180㎜²。40Cr钢作为锁紧螺栓材料，有着较高的高温力学性能及许用应力，从机电工程金属材料手册(万嘉礼主编.上海：上海科学技术出版社，1990.第3版)可查得：40Cr螺栓材料在150℃温度下的屈服强度σ_0.2＝549MPa，许用应力[σ₁]＝183MPa；在200℃温度下的屈服强度σ_0.2＝539MPa，许用应力[σ₁]＝179MPa。

压板6是将金属筒套2、底板4和盖板7锁紧在离心机底盘5上的重要部件，用韧性好的Q235钢板制作，厚度为40㎜。一般情况下，在相同材质的材料许用弯应力大约为许用应力的1.2倍，为保守起见，将许用应力来代替许用弯应力[σ₂]。Q235钢板的高温力学性能及许用应力从机电工程金属材料手册(万嘉礼主编.上海：上海科学技术出版社，1990.第3版)可查得：压板在150℃下的许用应力为125MPa；在200℃下的许用应力为118MPa。

现有铸钢件的尺寸为Φ1900mm/Φ1500mm×400mm，液态钢水密度ρ_液钢＝7000㎏/m³，凝固后固态钢水密度ρ_固钢＝7800㎏/m³，铸钢件质量为3333㎏。铸型外径尺寸为2200mm，压板外圆尺寸为2260mm，由16根螺栓将铸型锁紧。

采用康斯坦丁诺夫公式计算铸型所需要的转速：

式中n为铸型转速，r/min；ρ_液为浇注合金液密度，㎏/m³；g为重力加速度g＝9.81m/s，r₀为铸件的内半径，m；β为调整系数。初步取调整系数β＝1.2。铸型所需要的转速为

取n＝300r/min，此时β＝1.23。

一、在铸型没有破碎的正常条件下对锁紧螺栓的强度校核，当：

时，拉应力对锁紧螺栓没有产生破坏。

式中：σ₁为锁紧螺栓受到的拉应力，Pa；[σ₁]为锁紧螺栓在高温下的许用应力，Pa；ρ_液钢为金属液的密度，kg/m³；铸型转速n＝300rpm；铸件外圆半径R，m；r₀为铸件内圆半径，m；盖板质量M_盖板＝2170㎏，压板质量M_压板＝956㎏，锁紧螺栓数量M＝16；S_螺栓为单根锁紧螺栓的有效面积。

分别对螺杆的上端螺纹处和下端螺纹处分别进行强度校核：

如图3所示，锁紧螺栓3上端的螺纹根部，该处有效应力截面积S_{螺 栓}＝788㎜²，锁紧螺栓上端不与铸型接触，对于铸钢件的离心铸造，其最高温度低于120℃，40Cr螺栓材料在150℃温度下的许用应力[σ₁]＝183MPa，则每根螺栓受到的拉应力为

即σ₁＝47.2(MPa)＜[σ₁]＝183(MPa)。

如图3所示，锁紧螺栓下端的螺纹根部，该处有效应力截面积S_有效＝1180㎜²，锁紧螺栓下端与底盘相接触，对于铸钢件的离心铸造，其最高温度低于170℃，40Cr钢螺栓材料在200℃温度下的许用应力[σ₁]＝179MPa，则每根螺栓受到的拉应力为

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{86\×7000\×{\left(\frac{300}{100}\right)}^2\×{({0.95}^2-{0.75}^2)}^2-(2170+956)\×9.8}{16\×1180\×{10}^{-6}}$

$=31.55\×{10}^6\left(\mathrm{Pa}\right)==21.55\left(\mathrm{MPa}\right)$

即σ₁＝31.55(MPa)＜[σ₁]＝179(MPa)

拉应力对锁紧螺栓没有产生破坏。

这只是铸型没有碎裂时的必要校核，而不是充分校核，没有考虑到在铸型碎裂时，铸型碎块对锁紧螺栓的冲击或剪切及高温金属液对锁紧螺栓的冲刷。

二、在铸型破碎的异常条件下对锁紧螺栓的强度校核

a.在铸型碎块冲击或剪切锁紧螺栓的异常状态下对锁紧螺栓的强度校核，当：

时，冲击应力对锁紧螺栓没有产生破坏。

40Cr锁技螺栓材料为塑性材料，极限破坏应力σ_u即为屈服强度σ_0.2。40Cr螺栓材料在150℃温度下的屈服强度σ_u＝σ_0.2＝549MPa，在200℃温度下的屈服强度σ_u＝σ_0.2＝539MPa。我们取K＝10。

对于螺栓上端

满足 $47.25\left(\mathrm{MPa}\right)\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_u}{K}=\frac{549}{10}=54.9\left(\mathrm{MPa}\right)$

对于螺栓下端，同理有

$31.55\left(\mathrm{MPa}\right)\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_u}{K}=\frac{539}{10}=53.9\left(\mathrm{MPa}\right)$

故在产生铸型碎块冲击的情况下，锁紧螺栓也是安全的。

b.铸型破碎后高温金属液冲刷锁紧螺栓的异常状态下对锁紧螺栓的强度校核，

根据前面在正常状态下对锁紧螺栓的强度校核时已得到对于螺栓上端σ₁＝47.25(MPa)，显然能满足

${\mathrm{\σ}}_1=47.27\≤\frac{1}{3}\left[{\mathrm{\σ}}_1\right]=\frac{183}{3}=61\left(\mathrm{MPa}\right)$

对于螺栓下端σ₁＝31.55(MPa)，显然能满足

${\mathrm{\σ}}_1=31.55\≤\frac{1}{3}\left[{\mathrm{\σ}}_1\right]=\frac{179}{3}=59.67\left(\mathrm{MPa}\right)$

强度校核结果表明，在均匀分布条件下只要有占正常状态下三分之一数量以上的锁紧螺栓是完好时，就能满足螺栓的锁紧功能。实际生产中，在离心力的作用下，高温金属液快速冲过离心机底盘，不会留滞较长时间，更不会在离心机底盘各个方向上都留滞较长时间，由于整体锁紧装置，在满足高温金属液冲刷的强度校核条件下，即便部分方向上的锁紧螺栓因高温金属液冲刷而遭到破坏，只要有三分之一以上数量、均匀分布的锁紧螺栓能够正常工作，也不会导致压板飞起而造成高温液体金属顶喷的严重后果。

三、对压板的强度校核。

压板6是受锁紧螺栓3向下的拉力以及液体金属向上的推力，压板上受到的力会导致两种情况的破坏，一是在压板6的边缘凸出处，即锁紧螺栓的垫套1部位，垫套材质为45钢，尺寸为Ф110㎜/Ф52㎜×40㎜，压板6受到垫套2外圆处剪切应力而受到破坏；二是在在压板6中心处，即盖板7浇注孔附近，压板受到弯应力而受到破坏。

1)、压板受到垫套剪切应力

如图2所示，为了使压板6能方便地套入锁紧螺栓3，在其边缘凸出处开有b＝57㎜宽的螺栓槽61，垫套1外圆与压板6的接触长度为π×110－2b＝231.6(㎜)，压板的材质为Q235，厚度δ＝40㎜，对于铸钢件，压板最高温度低于170℃，在200℃时，从资料有Q235钢板的许用剪应力[τ]＝30MPa，压板的剪切面积为

S_垫套＝(π×110－2b)×δ＝(π×110－2×57)×40

＝231.6×40＝9263(㎜²)＝9263×10^-6(m²)

压板受到垫套剪切应力

即τ＝4.02(MPa)＜[τ]＝30(MPa)

故剪应力对压板没有产生破坏。

②压板受到盖板向上的弯应力

一般情况下，在相同材质的材料许用弯应力[σ₂]大约为许用应力的1.2倍，为保守起见，将许用应力与许用弯应力[σ₂]看成相同的，在200℃下的许用应力为118MPa。压板外圆尺寸为D＝2260㎜，压板内圆尺寸为d＝1190㎜，压板内、外圆之间的投影面积为

S_压板＝π(D²－d²)/4＝π(2260²－1190²)/4

＝2899294.9(㎜²)＝2899294.9×10^-6(m²)

压板上受到的弯应力为

即σ₂＝0.206(MPa)＜＜[σ₂]＝118(MPa)

这里是将压板当作均匀受力看待的，如果考虑到受力不均匀，向上的推力只作用在10％的压板面积上，此时σ₂＝2.06(MPa)，仍远小于许用应力[σ₂]，故弯应力不会对压板产生破坏。

本发明实施例的立式离心铸造机铸型锁紧结构的强度校核方法通过在设计阶段对铸型锁紧结构进行强度校核，有效地防止因锁紧结构的部件发生高温失效而导致的顶喷事故的发生，极大地增强了浇注过程中的安全性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种立式离心铸造机铸型锁紧结构的强度校核方法，其特征是，所述铸型包括底板、盖板和金属筒套三个部分，铸型与离心机底盘之间通过固定在离心机底盘的锁紧螺栓，用压板将铸型整体锁紧在离心机底盘上，从而压板、锁紧螺栓与离心机底盘一起能够形成一个顶盖笼栏式结构，对所述锁紧结构的锁紧螺栓进行强度校核：

1)、在铸型没有破碎的状态下，当

时，拉应力对锁紧螺栓没有产生破坏；

式中：σ₁为锁紧螺栓受到的拉应力，Pa；[σ₁]为锁紧螺栓在高温下的许用应力，Pa；ρ_液钢为金属液的密度，kg∕m³；n为铸型转速，rpm；R为铸件外圆半径，m；r₀为铸件内圆半径，m；M_盖板为盖板的质量，kg；M_压板为压板的质量，kg；M为所选定压板的锁紧螺栓数量；S_螺栓为单根锁紧螺栓的有效面积；

2)、在铸型碎块冲击或剪切锁紧螺栓的状态下，当

时，冲击应力对锁紧螺栓没有产生破坏；

式中：σ_u为锁紧螺栓材料的极限破坏应力，Pa；对于塑性材料σ_u取屈服强度σ_0.2，g为重力加速度，K为安全系数，K＝9～11；

3)、在铸型破碎后高温金属液冲刷锁紧螺栓的状态下，对锁紧螺栓的强度校核公式为：当

时，高温金属液导致部分锁紧螺栓失效而不会产生顶喷事故；

式中：[σ₁]为锁紧螺栓在高温下的许用应力，Pa，

上述状态2)和状态3)的强度校核必须同时得到满足，若不能同时得到满足，则应增加锁紧螺栓数量、增大锁紧螺栓的有效面积S_螺栓以及选用高温力学性能更好的螺栓材料。

2.根据权利要求1所述的立式离心铸造机铸型锁紧结构的强度校核方法，其特征在于，对所述锁紧结构的压板进行强度校核：

1)、对压板受到垫套剪应力进行校核，当

时，剪应力对压板没有产生破坏；

式中：τ为剪应力，Pa；[τ]为许用剪应力，Pa；S_垫套为每个垫套与压板之间的有效剪切面积S_垫套＝(πD_垫套－2b)×δ_压板，m²；D_垫套为垫套外径，m；b为压板凸出部螺栓槽的宽度，m；δ_压板为压板厚度，m；

2)、对压板受到盖板向上的弯应力进行校核，当

时弯应力对压板没有产生破坏；

式中：σ₂为压板受到盖板向上的弯应力，Pa；[σ₂]为许用弯应力，Pa；S_压板为压板内、外圆之间的投影面积S_压板＝π(D²－d²)/4，m²；D为压板的外径，m；d为压板的内径，m。