球磨機軸頭殘余應力測量與消除
球磨機軸頭是建陶大型旋轉粉碎機械的關鍵部件，它起著支承和旋轉球磨機滾筒機體的重要作用。實心軸頭直徑350mm，周圍焊接加強環直徑590mm厚度200mm，軸頭和加強環焊接在球磨機圓滾筒上。由于在焊接處產生不均的溫度場，使溫度應力和相變應力分布不均勻將導致焊縫處產生較大的塑性變形，從而產生焊接殘余應力。殘余應力的存在會影響軸頭的強度疲勞壽命，產生結構變形，焊接件易發生脆性破壞。因此，球磨機軸頭殘余應力測量和消除就變得尤為重要。
盲孔法測殘余應力原理
本次試驗采用盲孔法測量球磨機軸頭焊接殘余應力，盲孔法測量殘余應力就是在被測點上鉆一個小孔，使被測點的應力得到部分的釋放，測出的鉆孔前后相應的應變差，根據應力、應變關系式及無應力材料的標定值，在根據彈性力學理論計算出殘余應力，鉆孔的直徑深度都不大，不會影響被測構件的正常使用，并且這種方法具有較好的精度，因此，它已成為應用比較廣泛的方法。
振動時效工藝原理
本次試驗采用振動時效工藝消除球磨機軸頭焊接殘余應力，其工作原理是通過振動，使工件內部殘余的內應力和附加的振動應力的矢量和達到超過材料屈服強度的時候，使材料發生微量的塑性變形，從而使材料內部的內應力得以松弛和減輕。因其環保、節能、省時成為常用的消除應力方法。
試驗過程
測量儀器采用JHMK多通道殘余應力測量系統，由JHYC靜態應變儀和JHZK鉆孔裝置組成。接線方案采用半橋補償塊補償方法，在軸機頭焊縫附近同一圓周上對稱粘貼A、C、E、G4個直角應變花。加強環焊縫附近同一圓周上也對稱粘貼B、D、F、H4個直角應變花，應變花粘貼位置如圖1，盲孔的位置在8個應變花附近，a=7.5，深度h=16mm。振動時效設備采用JH-600A液晶交流振動時效設備，振動時效處理時球磨機軸頭下面墊有四個橡膠墊，如圖1。
圖1球磨機軸頭應變花布置圖
測試結果
振動時效前測得結果和用振動時效設備對軸頭進行時效后的結果見表1和表2。
表1振動前后的試驗結果
測點 | 振前 | 振后 | 平均應力降低率（%） | ||||||
με | MPa | με | MPa | ||||||
A | ε1 | -250 | σ1 | -300 | ε1 | -205 | σ1 | -275 | 8 |
ε2 | -55 | σ2 | -90 | ε2 | -85 | σ2 | -85 | ||
ε3 | +55 | σm | +195 | ε3 | 0 | σm | +180 | ||
B | ε4 | -75 | σ1 | -476 | ε14 | -315 | σ1 | +10 | 100 |
ε5 | -5 | σ2 | -213 | ε25 | +10 | σ2 | -10 | ||
ε6 | -265 | σm | +340 | ε36 | 0 | σm | 0 | ||
C | ε7 | +195 | σ1 | +408 | ε7 | -190 | σ1 | -244 | 25 |
ε8 | -130 | σ2 | +62 | ε8 | -75 | σ2 | -106 | ||
ε9 | +40 | σm | +234 | ε9 | +15 | σm | +175 | ||
D | ε10 | -210 | σ1 | -248 | ε10 | -105 | σ1 | -158 | 26 |
ε11 | -60 | σ2 | -73 | ε11 | -98 | σ2 | -78 | ||
ε12 | +50 | σm | +161 | ε12 | -13 | σm | +11 | ||
E | ε13 | -265 | σ1 | -339 | ε13 | -70 | σ1 | -110 | 60 |
ε14 | -90 | σ2 | -142 | ε14 | -50 | σ2 | -80 | ||
ε15 | +25 | σm | +241 | ε15 | -25 | σm | +95 | ||
F | ε16 | -190 | σ1 | -30 | ε16 | -35 | σ1 | -65 | 37 |
ε17 | -190 | σ2 | -160 | ε17 | -35 | σ2 | -55 | ||
ε18 | -40 | σm | +95 | ε18 | -25 | σm | +60 | ||
G | ε19 | -400 | σ1 | -560 | ε19 | -135 | σ1 | -200 | 61 |
ε20 | -225 | σ2 | -280 | ε20 | -100 | σ2 | -130 | ||
ε21 | +20 | σm | +420 | ε21 | -30 | σm | +165 | ||
H | ε22 | -310 | σ1 | -438 | ε22 | -150 | σ1 | -205 | 54 |
ε23 | -215 | σ2 | -242 | ε23 | -90 | σ2 | -105 | ||
ε24 | -30 | σm | +340 | ε24 | -5 | σm | +155 | ||
表2振動前后的分析結果
測試位置 | 振前平均應力 | 振后平均應力 | 應力降低率 | 振前應力幅值△σ1 | 振后應力幅值△σ2 | 振前波動率 | 振后波動率 |
軸環縫 | 272.25 | 153.75 | 43.5% | 654 | 85 | 240% | 55.3% |
加強板環縫 | 233.87 | 83.25 | 64.4% | 245 | 155 | 104.7% | 186.2% |
結論
1. 焊接殘余應力越高，振動時效處理降低應力越多均化應力越好。
2. 環縫殘余應力降低43.5%，波動率由240%降低到55.3%，應力均化效果好。
3. 加強板環縫殘余應力降低64.4%，波動率變大是由于振后平均應力變得很低所致。
4. 采用盲孔法對球磨機軸頭進行殘余應力測量是可行的。
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