大型鍛造壓機(jī)插入式立柱預(yù)應(yīng)力機(jī)架分析研究

王勇勤， 劉志芳，嚴(yán)興春，韓炳濤，成先飚，張 君

（1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.中國(guó)重型機(jī)械研究院，陜西 西安 721000）

大型鍛造壓機(jī)插入式立柱預(yù)應(yīng)力機(jī)架分析研究

王勇勤1， 劉志芳1，嚴(yán)興春1，韓炳濤2，成先飚2，張 君2

（1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.中國(guó)重型機(jī)械研究院，陜西 西安 721000）

針對(duì)鍛造壓機(jī)常規(guī)平接式預(yù)應(yīng)力機(jī)架的立柱抗水平載荷能力差和端面接觸狀況不好等缺點(diǎn)，對(duì)一種立柱插入式預(yù)應(yīng)力機(jī)架結(jié)構(gòu)展開研究；分別利用解析法和有限元法對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究了在相同條件下平接式和立柱插入式兩種機(jī)架的應(yīng)力狀態(tài)、變形及端面接觸和橫梁的接觸狀況；研究結(jié)果對(duì)鍛造壓機(jī)及同類預(yù)應(yīng)力機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

機(jī)械設(shè)計(jì)；預(yù)應(yīng)力機(jī)架；插入式；立柱；接觸狀態(tài)

0 前言

鍛造壓機(jī)是機(jī)械制造業(yè)重要的基礎(chǔ)制造設(shè)備之一。隨著大型、特大型鍛壓機(jī)需求量的不斷增加，國(guó)內(nèi)外各科研院所及重機(jī)制造廠對(duì)各種大型壓機(jī)開展了研究，如張劍寒等[1]研究了400MN航空模鍛液壓機(jī)的機(jī)架在各工況下的受力和變形狀況；吳生富等[2]研究了整機(jī)架的工作性能及相關(guān)接觸面接觸狀況；嚴(yán)興春等研究了165MN自由鍛造油壓機(jī)組合梁的動(dòng)態(tài)特性，得出了下橫梁的前七階固有頻率和固有振型[3]；楊甲申等[4]分析了大型鍛壓機(jī)組合梁不同工況下的應(yīng)力、變形等，提出了組合梁設(shè)計(jì)的基本依據(jù)；楊固川等[5]改進(jìn)了800MN模鍛壓機(jī)C形板機(jī)架結(jié)構(gòu)，分析計(jì)算了機(jī)架強(qiáng)度、剛度及疲勞壽命等；H.Ou和R.Douglas研究了機(jī)架彈性變形對(duì)精密模鍛件精度的影響[6][7]。同時(shí)，國(guó)家在“十一五”期間也投入了大量資源，重點(diǎn)支撐一批鍛壓機(jī)的技術(shù)攻關(guān)研究[8]。陸楊[9]提出了一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的新型自動(dòng)鍛壓機(jī)擋料機(jī)構(gòu)。

機(jī)架是鍛造壓機(jī)的核心部件之一，合理設(shè)計(jì)機(jī)架是保證壓機(jī)安全可靠工作的前提。目前所使用的壓機(jī)其機(jī)架大多都采用了立柱平接式結(jié)構(gòu)（圖1），即上下橫梁與立柱（壓套）端面貼合并以十字鍵定位。這種結(jié)構(gòu)抗偏載能力差，通常更適合于壓機(jī)僅承受中心載荷或偏載較小的情況。鑒于此，對(duì)于偏載較大的大型和超大型壓機(jī)目前越來越多地開始使用一種新型的立柱插入式機(jī)架結(jié)構(gòu)（圖2），這種機(jī)架的立柱（壓套）部分插入上下橫梁。

1 兩種機(jī)架的理論模型

1.1 平接式機(jī)架

1.2 插入式機(jī)架模型

立柱插入式機(jī)架也由上橫梁、下橫梁、立柱和拉桿等組成。通過拉桿和緊固螺母將上下橫梁、立柱壓緊，與平接式的差別是，立柱（壓套）部分地插入上下橫梁，從而形成一個(gè)近似的剛性框架，這樣立柱可以承受較大的水平載荷。這種結(jié)構(gòu)立柱的受力情況可近似簡(jiǎn)化為兩端固定的超靜定梁模型（圖4）。設(shè)上下橫梁為剛體且立柱的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，集中力F水平作用于立柱中間位置時(shí)，立柱上中間點(diǎn)位置最大彎矩為FL/8，對(duì)應(yīng)撓度為δ=FL3192EI。

比較結(jié)果可見，相同條件下，插入式立柱比平接式立柱結(jié)構(gòu)所受彎矩減小了一半且產(chǎn)生的撓度僅為后者的1/4。因此，插入式立柱受載狀況明顯改善。

2 機(jī)架有限元模型的建立

通過上述理論分析可以看出，兩種機(jī)架立柱的受力、變形存在明顯差異，其原因是理論分析中對(duì)平接式結(jié)構(gòu)將梁對(duì)立柱端面的約束狀況視為鉸接，而對(duì)插入式結(jié)構(gòu)則視為固端約束。為對(duì)其進(jìn)行深入研究，本文運(yùn)用有限元軟件ABAQUS分別對(duì)上述兩種機(jī)架立柱的變形、應(yīng)力及接觸狀況展開系統(tǒng)深入的研究。

為使結(jié)果具有可比性，兩種機(jī)架的結(jié)構(gòu)盡量保持一致。兩種機(jī)架大體對(duì)稱，為簡(jiǎn)化分析過程，均取1/4模型為研究對(duì)象，在模型對(duì)稱面上施加相應(yīng)的對(duì)稱約束。在立柱中心位置0.6m2的面上施加12.5MPa的壓強(qiáng)，在上橫梁安裝油缸法蘭的位置及下橫梁工作臺(tái)施加41.25MN的作用力（圖5）。

3 兩種結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

圖 6（a）、（b）為有限元計(jì)算得到的平接式與插入式結(jié)構(gòu)機(jī)架的立柱Z向應(yīng)力云圖（預(yù)緊系數(shù)為1.15）。由計(jì)算結(jié)果可知，插入式機(jī)架與平接式機(jī)架立柱中間相同位置的Z向拉應(yīng)力分別為33.33MPa和41.45MPa，插入式立柱Z向拉應(yīng)力相對(duì)平接式立柱降低了19.6%，其Z向拉應(yīng)力相對(duì)明顯減小。

如圖7所示，在相同的工況下，δ2為兩種立柱中間位置橫截面的X向位移平均值，δ1、δ3為兩端參考截面的 X 向位移平均值，Δδ1、Δδ2為立柱的相對(duì)變形。圖8（a）、（b）分別為平接式與插入式結(jié)構(gòu)機(jī)架的立柱的水平橫向變形云圖：插入式立柱的相對(duì)變形 Δδ1/Δδ2為4.34968/4.10591mm，平接式立柱的相對(duì)變形 Δδ1/Δδ2為5.57715/5.25772mm，插入式機(jī)架立柱的相對(duì)變形相比降低了22.0%/21.9%。可見，插入式立柱的相對(duì)變形相對(duì)有較大減小。

圖9（a）、（b）為兩種立柱接觸狀態(tài)云圖。平接式機(jī)架的立柱端面約1/4面積與橫梁接觸；插入式機(jī)架的立柱端面80%以上的面積與橫梁接觸。

由計(jì)算結(jié)果可知，相同工況下，插入式結(jié)構(gòu)相對(duì)于平接式結(jié)構(gòu)，立柱的應(yīng)力和水平方向變形顯著降低，立柱端面接觸狀況明顯改善。然而，兩種立柱的應(yīng)力與變形的差值相對(duì)于理論值偏小。其原因是：①橫力彎曲時(shí)，若抗彎截面系數(shù)一定，則截面正應(yīng)力與對(duì)應(yīng)彎矩成正比，兩種立柱同時(shí)承受軸向壓應(yīng)力，非純橫力彎曲；②上下橫梁假設(shè)為理想剛體而不變形，實(shí)際上下橫梁會(huì)迫使立柱產(chǎn)生反彎變形，且兩種立柱的反向變形大小不同，故立柱彎曲變形大小也不同。

4 結(jié)論

本文的研究結(jié)果表明：①在相同的預(yù)緊系數(shù)及工作狀況下，插入式機(jī)架的立柱正應(yīng)力得到顯著改善；②插入式立柱的相對(duì)變形有較大幅度減小，即插入式立柱相對(duì)剛度增強(qiáng)了；③插入式機(jī)架的立柱端面與橫梁的接觸狀態(tài)也明顯改善，有利于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 張劍寒，曾 攀，等.400MN航空模鍛液壓機(jī)機(jī)架有限元分析[J].中大型鍛壓設(shè)備和技術(shù)研討會(huì)，2008：353-356.

[2] 吳生富，聶紹珉，等.大型鍛造液壓機(jī)全預(yù)緊機(jī)架的整體性分析[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30（2）：133-136.

[3] 嚴(yán)興春，江桂云，等.165MN自由鍛造油壓機(jī)組合梁模態(tài)分析[J].鍛壓技術(shù)，2009，34（2）：71-73.

[4] 楊甲申，韓炳濤，等.大型鍛壓機(jī)組合梁的強(qiáng)度剛度分析[J].重型機(jī)械，2007，（3）：32-34.

[5] 楊固川，于 江，等.大型模鍛液壓機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)分析研究[J].鍛壓技術(shù)，2010，35（3）：109-112.

[6] H.Ou，R.Balendra.Die-elasticity for precision forging aerofoil section using finite element simulation.J.Mater.Process.Technol.76（1998）：56-61.

[7] R.Douglas，D.Kuhlmann.Guidelines for precision hot forging with applications，J.Mater.Process.Technol.98（2000）182-188.

[8] 王勇勤，戴文軍，等.大型鍛壓機(jī)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)受力-變形的分析與研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，43（5）：29-31.

[9] 陸 楊.可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的自動(dòng)鍛壓機(jī)擋料機(jī)構(gòu)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，（5）：71-72.

[10] 俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：28-44.

[11] 朱伯欽，周競(jìng)歐，等.結(jié)構(gòu)力學(xué)（第二版）[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004：253-258.

[12] 趙騰倫.ABAQUS 6.6在機(jī)械工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007：66-108.

[13] 俞新陸.液壓機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：105-108.

Analysis study of pre-stress frame with inserting vertical column for heavy-duty forging press

WANG Yongqin1,LIU Zhifang1,YAN Xingchun1,HAN Bingtao2,CHENG Xianbiao2,ZHANG Jun2
（1.Mechanical Transmission State Key Lab,Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.China Heavy-Duty Mechanical Research Institute,Xi'an 721000,Shanxi China）

Aiming at the faults of poor anti-horizontal loading capacity and end contact situation of vertical column for common flush joint pre-stress frame,a new kind of pre-stress frame with inserting vertical column has been studied.The analysis method and finite element method have been applied separately to analyze the common and new structures.The stress status,deformation,and end&cross beam contact situation of the two structures under the same conditions have been studied.The results provide reference for the design of same or similar prestress frame structure.

Pre-stress frame;Insert;Vertical column;Contact situation

TG315.5

A

1672－0121（2012）03－0044－03

165MN自由鍛造油壓機(jī)（2007BAF02809）；金屬擠壓/鍛造設(shè)備與工藝創(chuàng)新能力平臺(tái)建設(shè)（2011ZX04016-81）

2012-02-09

王勇勤（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事冶金機(jī)械裝備研究