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离心铸型金属简套截面中拉应力的估算方法

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_ …… 拉应 的储 杨为勤杨大韬 【摘要】:在铸件内圆尺寸缺乏时,无法计算离心铸型金属筒套截面中受到的拉应力。当铸型铸件壁厚比在确定的范围 内,本文通过对立式及卧式离心铸型、铸件的参数进行数值分析,通过所建立的拉应力估算公式,对金属筒套截面中的拉应力 做出估算,并给出估算的最大偏差率。当铸型铸件壁厚比分布不均衡时,估算的偏差率也较大,本文进一步给出按待估算铸型 外径的局部范围内取值的方法,可降低估算偏差率。本文旨在建立一种在铸件内圆尺寸缺乏的条件下,对金属筒套截面中所受 拉应力的估算方法,能够帮助离心铸型的概略设计,还能对离心铸造安全事故进行大致分析。 【关键词】:离心铸造;大、中型铸型;金属筒套、拉应力估算方法 1金属筒套截面中拉应力的估算公式 将上式后面括号中的两项配成相同的形式,从括号中 的第二项,有 我们已解决了离心铸型金属筒套截面中拉应力的计算 方法【1卜一一金属筒套断面上总的拉应力由金属筒套自身质 量在离心力作用下对金属筒套断面的拉应力和由金属液在离 心力作用下对金属筒套断面的拉应力组成,即 口J以得到 P ̄Ro(R2一 )一 2( — ) — 2R R R .p液 z: p液 z( ——0) 液 Lo 液 。 0。=。.+6 =( ] fp + ] l j×( 其中尼 R o-r 。 瑶)……(1) 在有些时候,铸件内圆准确尺寸尚不确定,如在进行 离心铸型概略设计时,只需粗略估算金属筒套截面中拉应 力,又如在离心铸造安全事故的报道中,缺乏铸件内圆准确 尺寸参数,从上述公式中无法计算金属筒套截面产生的拉应 力。在实际生产中很多时候只需对金属筒套截面所受拉应力 情况作 大致上的判断即可,但在缺乏铸件内圆尺寸参数的 条件下,目前尚无离心机铸型金属筒套截面中所受拉应力的 估算方法。 一系数k是与铸型尺寸( 为金属筒套内圆半径、R 为金 属筒套外圆半径)、铸件尺寸(r 为铸件内圆半径)相关的 个比值,可以将k称之为铸型铸件尺寸系数。 又铸型铸件壁厚比为6型/6件=( —JR。)/( 一 ) 有 = = =T(1+ro/Ro) l…-(2) 科技与管J ̄2015年第1期)) 可见k与铸型铸件壁厚比8 /8 成反比。 当铸件内圆尺寸缺乏时,在铸型壁厚比8 /8 满足在 某一范围的条件下,只要知道铸型内、外圆半径、铸型转速 及铸型、铸件的密度,通过对铸型外半径全范围尺寸的Z项 大偏差率。 (1)k平 按以下步骤求得: a.按铸型外半径全范围尺寸将铸型均分为x组(x≥ 8)。 铸型铸件参数进行数值分析,求出k平 值来代替k值,金属筒 套截面中受到拉应力估算公式为 G:由于铸型外半径R在1.700m~0.300m范围,从大到小按 0.10m对铸型R夕 进行均分,即1.700m、1.600m、1.500 m、……0.500m、0.400m、0.300m,共分为x=l5组(满足 X≥8)。 ( )×(ozR 均P液瑶)..……(3) b.对于每组铸型外半径R卦,取Y个不同的铸型壁厚8 值 本文旨在建立一种在铸件内圆尺寸缺乏的条件下,对 (y≥3),则z-x×y为在R外全部范围尺寸的分档数,对应 组合成Y个铸型铸件壁厚比6 /6#。 本例取y=3,故分档数为Z=Xx y=15×3=45(档)。铸 型壁厚8 可根据表1选取。 离心机铸型金属筒套截面中所受拉应力的估算方法,能够帮 助离心铸型的概略设计,还能对铸件内圆尺寸缺乏的离心铸 造安全事故进行大致分析。 选取每个8 、8 数据的原则如下:①使离心机铸型 2铸型外半径在全范围内取值时的数值分析 铸件壁厚比满足8型/8件设置的条件(对于立式离心铸造 8 /8 =0.60~1.10);②8 /8 最大值及最小值应趋近或 2.1大、中型立式离心机铸型条件下k平均值的计算 绝大多数情况下,大、中型立式离心机铸型外径中在 3.400m~O.600m范围内,铸型铸件壁厚比满足8 /8 :等于壁厚比范围的两个端点;③尽可能使8 /8#的全部计 算值较为均匀地分布在8 /8 的设置范围内。要满足第3个 原则需要一定的技巧,往往还要通过几个方案的比较后才能 0.60~1.10的条件,铸型外半径R在1.700m~0.300m的全范 围内取值,进行数值分析,求出k平均值,并讨论按铸型外 半径全范围尺寸估算时,用k平均来代替k时,盯所产生的最 得到。按照以上3个原则进行取值,k平 的波动能控制在较小 的范围。 表1大、中型立式离心铸型壁厚选取的参考值(m) 铸型外径R 0.300~0.400 0.400~0.500 0.500~0.600 0.600~0.700 0.700~0.800 0.800~0.900 0.900~1.000 铸型壁厚6型 0.080~0.120 0.090~0.130 0.100~0.140 0.1 l0~0.150 0.120~0.160 0.1 30~0.170 0.140~0.180 铸型外半径R外 1.00O~1.100 1.100~1.200 1.200~1.300 1.300~1.400 1.40O~1.500 1.50O~1.600 1.600~1.700 铸型壁厚6型 0.1 50~0.190 0.160~0.200 0.170~0.210 0.180~0.220 0.190~0.230 0.200~0.240 0.210~0.250 当铸型外半径R 1.700m时,取3个不同的铸型壁厚8 型,从大到小进行排列:8 =0.240m、8 ::0.235m、8 0.230m;再取3个不同的铸件壁厚6件,从小到大排列: 8 。=0.220m、8 :=0.225m、8 3=0.230m,再将排列后的8 与6 逐一对应组合,相应得N3个不同的铸型铸件壁厚比: 8 /8 1陴 =1.091、8 2/8 2=1.044、8 /8 3=1.000,这 3个值均满足8 /8#=0.60~1.10的条件,否则,则要重新确 定8 或8 的值,直到满足为止。 根据R。=R 8 ,得到3个铸件外半径:R。。=1.460m、 R。 =1.465m、R。3=1.470m;根据r0=R0~8 ,得到3个铸件内半 - …一 咐. m、8# 8# :0.220m、8# 0.225m,相应得到3个不同的铸 径:r0 =1.240、ro:=1.240、ro3=1.240。故得出R =1.700m时的 3档铸型及铸件尺寸。 型铸件壁厚比:8 /8 =1.070、8 /8 =1.023、8 6/8 当铸型外半径R 1.600m1 ̄ ̄,取3个不同的铸型壁厚6 型,该组8型的第一个数据与上一组的第三个数据相同,从 大至0,J、{j}歹0:8 :8 =0.230m、8 =0.225m、8 0.978,这3个值均满足6 /8#=0.6o~1.10的条件。 根据R0=R ̄b一8型,得到3个不同的铸件外半径: RM=1.370m、R。 -1.375m、R =1.380m;根据ro=R0—8#,得 0.220m;取3个不同的铸件壁厚8件,该组8件的第二个数 据与上一组的第一个数据相同,从小到大排列:8 =0.215 到3个不同的铸件内半径:ro4=1.155、ro =1.155、ro =1.155。 故得出R 1.600m时的3档铸型及铸件尺寸。(各组之间8 表2大、中型立式铸型R外在全范围取值时的数值分析表 序号 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 科技与管理2015年第1期)) 从表2可见,6 /8 的最小值为0.606,6 / 的最大值 为1.091,趋近rob全范围尺寸时设定8 / =0.60~1.10的两 个端点。 c.2也可看出,8 /8 的全部计算值较为均匀地分布在6 /8 =0.60~1.10的设置范围内,没有发生某一段数值出现次数 显著过多(如在区间中8 /8 :1.0~1.1共有9次,8 /6 =计算R外全范围尺寸每一档对应铸型铸件组合时的k值 ( 一r ) 2 (心 一 ) 0.9~1.0共有9次,……, 8 /8#=O.6~0.7共有6次),说明数值分析的结果无异 根据公式, 常,得出的k平均值质量很好,用来估算盯时,产生的偏差 率较低。 R外=1.7m时:当8 /6 =1.091,R0l=1.460m,ro = 1.240,则kl=0.848;当8 2/8 :=1.044,R。 :1.465m,,r02 =1.240,则k2=0.884;当6 3/6 3=1.000,tt03=1.470m,ro3= (3)用k平均来代替k,估算盯时所产生的最大偏差率 对于立式离心铸造,当铸件内径缺乏时,用k 值代替 k值,对金属筒套截面中受到拉应力估算公式为 6 1.240,则k :0.922。余类推。 D.对R外全范围尺寸的每一档k值求和,得出其算术平 始 【 )×(p 1.02lxp液碍)..………(4) 从表2可看出,在45档数据中,k值的范围为0.848~ 且口 =毋 ;善 = 喜 (i:1,2,3……4…44 ,,45) 1.209,其区间内k值的算术平均值为k =1.021。观察k值范 围两个极值与k平均值的偏差率为(1.021—0.848) /13.848=20.4%和(1.209—1.021)/1.209=15.6%,故k值与k 值的最大偏差率为20.4%,由于R >R。且P 与P'艟的值相差 不大,故估算出来的金属筒套截面中受到拉应力13"值产生的 将立式铸型外半径范围在R 1.70m~0.30m的45档数据 中k值进行求和得出其算术平均值k (2)按R 全范围尺寸估算时,对8 /8 分布均衡性 的检验 1‘ ) (△型1 1+6 2/6 2+..…+6 /6 +6 /6 ) 最大偏差率要小于k平均偏差率的一半(10%以内)。 2.2大、中型卧式离心机铸型条件下k平均值的计算 大多数情况下,大、中型卧式离心机铸型外径 在 1.40m一0.40m范围内,铸型铸件壁厚比满足8 /8 =1.10~ 2.00的条件,铸型外半径R在0.700m~0.200m的全范围内取 :— ×f1.091+1.044+......+0.789+0.700) 45 值,进行数值分析,求出k 值,并讨论按铸型外半径全范 从表2可看出,对于立式离心机铸造,R 范围在1.7m~ 围尺寸估算时,用k 来代替k时,盯所产生的最大偏差率。 0.3m时,在45档6 /6 值数据中,8 / 的最大值为 1.091,6 / 的最小值为0.606,故8 / 极值的平均值为 (1.091+0.606)/2=0.849,将其与(6 /8#)平均的值 0.866进行比较,(6 /6 )平均的值0.866 ̄L极值平均值的 偏差率为(0.866—0.849)/0.849=2.0%(小于8%),从表 (1)k平均按以下步骤求得: a.根据铸型外径将铸型均分为X组。 由于铸型外半径R在0.700m~0.200m,按铸型外半径全 范围尺寸估算,根据铸型外半径 R夕 从大到小按0.05m对铸型进行均分,即0.700m、 0.650m、0.600m、0.550m、・・・・.-0.300m、0.250m、0.200m, 51 l 州…… 据表3选取。 共分为x=l1组(满足x≥8)。 b.对于每组铸型外半径R I ̄y=3个不同的铸型壁厚8 值,故分档数为z=x X y=l1×3=33(档)。铸型壁厚8 可根 表3大、中型卧式离心铸型壁厚选取的参考值(m) 当铸型外半径R =O.700m时,取3个不同的铸型壁 厚 ,从大到小进行排列:8 =0.115 m、8 :=0.110m、 到,J、{j}歹U:6 4=8 2=0.1 10m、8 5-0.105m、8 6=0.100m; 取3个不同的铸件壁厚8 ,该组8 的第二个数据与上一组的 第一个数据相同,从小到大排列:8 =0.075m、8 5=8件 ,=0.080m、8 6:0.085m,得N3个不同的铸型铸件壁厚比:8 48 =0.105m,再取3个不同的铸件壁厚8 ,从小到大排 歹0:8 。=0.080m、8 =O.085m、8 =0.090m,再将 }歹0后 的8 与6 逐一对应组合,得N3个不同的铸型铸件壁厚比: 8 。/8 l=1.438、8 2/8 2=1.249、8 3/8 3=1.167,这3个 /8『斗4=1.467、8 5/8 5=1.313、8 6/8『牛6=1.176,这3个值 均满足8 /8 =1.10~2.00的条件。根据R。=R外_8 ,得到 值均满足8 /8 =1.10~2.00的条件。根据Ro= 一8 ,得 N 3个铸件外半径:R。。=0.585m、R。 =0.590m、R03=0.595m; 3个铸件外半径:R =0.540m、 =0.545m、R =0.550m;根 据r0:R。一8 ,得到3个铸件内半径:ro4=0.465m、 ros=0.465m、ro :O.465m。(各组之间8 与8 的取值规律同 上,也可以采用其他的取值方法。) 根据rn=R。一6 ,得N3个铸件内半径:ro =0.505、ro2=0.505、 rn3=0.505。 当铸型外半径R 0.650m时,取3个不同的铸型壁厚8 ,余类推,见表4。 该组6 的第一个数据与上一组的第二个数据相同,从大 表4大、中型卧式铸型R外在全范围取值时的数值分析表 52 科技与管理2015年第1期>> 从表4可见,8 /6 的最小值为1.167,6 /8 (6 /8件) 均 1 。 (6 /5 ) 的最大值为2.O0,趋近R 全范围尺寸时设定8 /8# =1.10~2.O0的两个端点。 c.=。 ×(6型1/ 1+6型2/5件2+。・… +6型32/5件32+6型33/6件33) = 一×(1.438+1.294+1.167+……+1.500+1.222) 33 =计算区间内每一档对应铸型铸件组合时的k值 根据公式, (瑶一 20) ( — ) R =O.700m时:当8 l/8 l=1.438时,R0l=0585m, ro1=0505,贝4k=0648;当8 2/8 :=1.294时,R =O.590m, =1.444 从表4可看出,对于卧式离心铸造,铸型外半径 R范围在0.70m~0.20mH ̄,在33档8 /8 值数据中, 6 /8 的最大值为2.000、最小值为1.167,故8 /8 极值的平均值为(2.000+1.167)/2---1.584;(8 /8 )平均的值1.4441:L极值平均值的偏差率为(1.584— 1.444)/1.584=8.84%(超出8%的范围),从表4也可 0.505,贝0 k -0.717;当8 /8 3=1.1.167时, 3=0.595m,ro3=0.505,则k产0.792。 余类推。 d.对区间内的每一档的k值求和,得出其算术平 均值k 根据公式, 看出,6型/8件的值在区间分布不均衡。6 /8 值 的大小在1.699~2.0区间内分布较为稀疏只有4次;所 占比例为4/33;8 /8 值的大小在1.5~1.699(包含 = 1= ×善后=击莩 { +J}i31+ 32+ 33) 季七= 1×( + + +‘ ・1.5本身)区间内分布有8次;所占比例为8/33;8 /8 的值的大小在1.2—1.499的区问内分布较为密 1= 集,有21次,所占比例为21/33;这种不均衡的8 /8 分布,用k平均来代替k,估算盯时会产生一定的 偏差率。 ×(0.648+0.717+0.792+ +0.469+0.571+0.6911 =0.644 (2)按R 全范围尺寸估算时,观察6 /6 分 布的均衡性 (3)用k 来代替k,估算盯时所产生的最大偏 差率 对于卧式离心铸造,按R 全范围尺寸估算时, 53 - 6 舢撇 M. 0.106/0.1315=0.806,这柙壁厚比出 的戳率很局。从公瓦 用k 值代替k值,对金属筒套截面中受到拉应力估算公式为 (\ Ju/1×( p 外+0_644×p ) ……(5) (4)有 从表4可看出,在33档数据中,k值的最小值为0.451, 最大值为0.792,其区间内的算术平均值为k =O.644。观察 k值范围两个极值与k平均值的偏差率为(0.644—0.451) /0.451=42.8%和(0.792一O.644)/o.792=18.7%,故k值与k 6≈=( ]×( 尺 ) ( j×( 。 021x p液R ) re x3= 值的最大偏差率为42.8%,由于R >R。且P 与p 的值相差 。3:30 ̄2 x[7300 ̄078 52+1.02lx8760xO.679 .不大,故估算出来的金属筒套截面中受到拉应力盯值产生的 最大偏差率要小于k 偏差率的一半(21%以内),但由于 10296442(,P口、):1o.30(MPa) 从以上计算可以看出,k 值(1.021)与实际k值 卧式离心铸造时,8 /8 =1.699~2.0日寸出现的概率较低, 8 /8 =1.2~1.699时出现的概率最高,故取k =0.644对实 际使用并不会产生较大影响。 (1.120)的偏差率为(1.120~1.021)/1.120=8.84%,估算 出的金属筒套截面的总拉应力盯值与实际总拉应力产生的偏 差率为(10.77—10.30)/10.77=4.36%,小于实际k值的偏差 3金属筒套拉应力估算案例 率的一半。 3.2卧式铸型金属筒套拉应力估算案例 3.1立式铸型金属简套拉应力估算案例 碳钢轴套铸件尺寸为外圆 573mm/内圆中480mm×长 锡青铜蜗轮铸件尺寸为外圆中1358mm/内圆中 1095mm×高度240mm,铸件密度为p =8760kg/m ,铸件质 量为1095kg。金属筒套尺寸为外圆中1570mm/内圆中 1358mm x高度250 mm,铸型离心转速n=330r/rnin,金属筒 套材质用的是球墨铸铁QT450—10,p =7300kg/m ,金属筒 度1640mm,铸件液态密度为p液=7000k ̄m ,铸件质量为 990kg。铸型尺寸为外圆 740mm/内圆 573mm×长度 1950mm,铸型离心转速n=820dmin,铸型材质为碳素铸钢 ZG230—450,铸型密度为p =7800kg/m ,铸型质量为 2820kg。对离心机铸型金属筒套截面中所受拉应力进行计 算。若铸件内圆尺寸rn缺乏时,对铸型金属筒套截面中所受 拉应力进行估算。 (1)铸件尺寸完整时,R =0.370m;R。=0.287m; ro=0.240m,金属筒套截面中受到拉应力的计算 套的质量为801kg。对离心机铸型金属筒套截面中所受拉应 力进行计算。若铸件内圆尺寸fn缺乏时,对铸型金属筒套截 面中所受拉应力进行估算。 (1)铸件尺寸完整时,R =0.785m;R。:O.679m; ro=0.5475m,金属筒套截面中受到拉应力的计算 一 一 (2)当铸件尺寸不完整时,按R 全范围尺寸对金属筒 套截面中受到拉应力的估算 2 一 在铸件的内半径尺寸ro=O.24m缺乏时,按R 全范围尺寸 估算,我们注意到本例中8 /8 =(R 一R0)/(R。一r0): : Q:鱼: 二Q: 墨Z : :1.120 2×0.679 X 0785-0.679 .0.083/0.047=1.77,这种较大壁厚比出现的概率较低。从公 式(5)有 一o=G。 G・怕: l【  j) p p套 R 七七p液 =c j× :o.644 2 = ̄x3301×[7 00×0.78s2+1.120x 8760x 0.67921 1077393O(Pa)=10.77(MPa) (2)当铸件尺寸不完整时,对金属筒套截面中受到拉 fl 丁c×8201j×( 7800 ̄0.37 0, ・644x7000 87,  ) 10611752(Pa)=10.6l(MPa) 从以上计算可以看出,k平均值(0.644)与实际k值 (0.5199)的偏差率为(0.644—0.5199)/0.5199=23.9%, 估算出的金属筒套截面的总拉应力盯值与实际总拉应力产生 的偏差率为(10.61—10.08)/10.08=5-3%,小于实际k值的 =应力的估算 在铸件内半径尺寸r。=0.4575m缺乏时,按R 全范围尺寸 估算,我们注意到本例中8 /8 :(R 一R。)/(R。一r。): 

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