80MN快鍛液壓機(jī)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析

吳青萍

(山西省機(jī)械電子工業(yè)聯(lián)合會，山西太原030001)

0 引 言

鍛造生產(chǎn)在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，被譽(yù)為“工業(yè)之父”。業(yè)內(nèi)往往將一個國家的鍛造生產(chǎn)能力看做這個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。在工業(yè)現(xiàn)代化的今天，鍛造工藝小到可以加工金銀首飾的材料，大到可以加工航空、海洋船舶的材料，鍛造是機(jī)械制造領(lǐng)域不可或缺的一部分。今天，中國的黑色金屬產(chǎn)量、有色金屬產(chǎn)量雙雙達(dá)到了世界第一，對鋼、鋁、鎂、鈦等金屬的壓力加工有增無減。鍛造生產(chǎn)能力在未來的相當(dāng)一段時間內(nèi)，仍將會是工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展程度的重要標(biāo)志，而且在國家工業(yè)發(fā)展的過程中鍛造將會起著越來越重要的作用。

比較國內(nèi)外自由鍛造液壓機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，可以看到一些問題［1-4］:一方面，我國大型自由鍛造液壓機(jī)多采用三梁四柱的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，雖然可靠性有保障，但結(jié)構(gòu)笨重，浪費(fèi)材料，加工功能單一，并且鍛造工藝水平落后。由于我國大型鍛造液壓機(jī)大多是上世紀(jì)90年代的產(chǎn)品，設(shè)備老化嚴(yán)重。而隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源緊張、環(huán)保等問題，經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局的變化，特別是核電、太陽能、風(fēng)能等無污染化新型能源的重點(diǎn)開發(fā)，以及超大型運(yùn)輸船、大型艦艇、航空母艦軍事工業(yè)的發(fā)展，使得大型鍛件的質(zhì)量要求越來越高，生產(chǎn)節(jié)能要求越來越高。研發(fā)適合生產(chǎn)需求的鍛造液壓機(jī)勢在必行。另一方面，國外發(fā)達(dá)國家在大型自由鍛造液壓機(jī)的設(shè)計方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為研發(fā)大型的自由鍛造液壓機(jī)設(shè)計出了一套現(xiàn)代化的科學(xué)方法，對大型鍛造液壓機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)合理、尺寸更加輕巧。由于設(shè)計方法的落后，國內(nèi)廠商很難在市場上與發(fā)達(dá)國家的同類型產(chǎn)品進(jìn)行競爭，國內(nèi)大于40MN油泵直接傳動快速鍛造機(jī)市場幾乎被國外公司壟斷，如何設(shè)計出符合強(qiáng)度、剛度要求、結(jié)構(gòu)合理、重量較輕的壓力設(shè)備，抓住市場發(fā)展機(jī)遇，是我國現(xiàn)代液壓機(jī)設(shè)計人員需要解決的問題。

為適應(yīng)鍛造車間裝備現(xiàn)代化和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性要求，太原重工股份有限公司研制了國內(nèi)首臺80MN油泵直接傳動雙柱式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)快速鍛造液壓機(jī)，其最大鍛造頻次高達(dá)75 min－1，通過提高鍛造速度，提高毛坯加工效率和擴(kuò)大零件加工范圍［5］。該液壓機(jī)首次在中國特大型鍛造壓機(jī)上開發(fā)雙柱斜置式預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架結(jié)構(gòu)和油泵直接傳動系統(tǒng)。傳統(tǒng)的鍛造液壓機(jī)的主導(dǎo)機(jī)型一直是三梁四柱式結(jié)構(gòu)，而斜置式的雙柱預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)由兩個堅固的長方形空心立柱作為機(jī)架，拉桿從立柱中穿過，通過預(yù)緊螺母將上橫梁、立柱和下橫梁緊固成一個預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架，在橫梁和立柱的結(jié)合面上用鍵定位，上、下橫梁開檔內(nèi)側(cè)之間不用再設(shè)置螺母。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是［6］:機(jī)身剛度高、導(dǎo)向精度高、鍛造速度快、立柱抗疲勞能力強(qiáng)。由于該快速鍛造液壓機(jī)在工作時，經(jīng)常需承受多次快速反復(fù)加載及在卸載時能量的突然釋放，這些都會引起機(jī)身的劇烈振動，若這種振動過大，將會嚴(yán)重影響快鍛液壓機(jī)的正常工作，甚至導(dǎo)致無法工作或嚴(yán)重事故，因此，十分有必要對液壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)響應(yīng)分析［7-8］。

鑒于此，本研究將基于ANSYS軟件的動力學(xué)分析理論對該快鍛液壓機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)響應(yīng)分析，以研究其在墩粗工況下的動態(tài)特性。

1 80MN快鍛液壓機(jī)結(jié)構(gòu)有限元建模與求解設(shè)置

該快鍛液壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡化后的實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 80MN快鍛液壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡化后的實(shí)體模型

根據(jù)對該快鍛液壓機(jī)結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析［9］，發(fā)現(xiàn)其活動橫梁與立柱的接觸主要發(fā)生在立柱的內(nèi)側(cè)，且考慮到動力學(xué)分析需要占用的計算機(jī)資源非常大，因此在建立動力學(xué)分析的有限元模型時簡化了活動橫梁裝配，并將導(dǎo)向架忽略?；顒訖M梁與立柱接觸結(jié)合部x方向耦合連接，活動橫梁底面覆蓋一層目標(biāo)單元，鍛件頂面覆蓋一層接觸單元，形成接觸對?；顒訖M梁的油缸柱塞安裝面z方向上位移非常小，因此，此面上的節(jié)點(diǎn)施加z向約束?；顒訖M梁的初始速度設(shè)置為15 mm/s，加速度設(shè)置為537 mm/s2，加速度的加載方式為階梯加載，并考慮結(jié)構(gòu)預(yù)緊力對結(jié)構(gòu)分析的影響。

該液壓機(jī)結(jié)構(gòu)的動力學(xué)有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2 計算結(jié)果分析

對于該快速鍛造液壓機(jī)結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題，由于響應(yīng)的過程和持續(xù)的時間都較長，從物理上來說都希望取較大的時間步長，以達(dá)到減少計算的目的。該模型有限元分析采用無條件穩(wěn)定的隱式算法，雖然時間步長Δt的大小不影響求解的穩(wěn)定性，但會影響求解的精度，所以實(shí)際的計算步長必受限制，計算過程中開啟自動時間步長追蹤。

2.1 以力的方式加載的分析

動力學(xué)分析時，由于簡化了地腳螺栓的三維特征，并且活動橫梁對立柱的影響稍有差別，在這些部位的應(yīng)力和應(yīng)變肯定不同，但根據(jù)圣惟南定理，在邊界條件相同的情況下，遠(yuǎn)離剛度突變的位置，應(yīng)力變化不大。因此，本研究選擇上橫梁來觀察靜力分析和動力學(xué)分析下的應(yīng)力、應(yīng)變變化。

橫梁動態(tài)位移分布如圖3所示。

圖3 上橫梁動態(tài)位移分布云圖

從圖3可以看出，上橫梁的位移分布基本保持一致，最大位移均發(fā)生在上橫梁的上端兩角處，動力學(xué)分析的最大位移值為3．769 mm，是其最大靜態(tài)位移值(限于篇幅這里沒有給出靜態(tài)分析及其結(jié)果)的約1．949倍。由此可見，在相同大小的工作載荷中，液壓機(jī)快速鍛造工作時的工作應(yīng)力比慢速工作時大得多。

動力學(xué)分析主要是研究液壓機(jī)各部分位移隨時間的響應(yīng)，因此，簡化了液壓機(jī)的很多設(shè)計細(xì)節(jié)并且將網(wǎng)格劃分加大了很多，設(shè)計的細(xì)節(jié)和網(wǎng)格的大小影響液壓機(jī)的應(yīng)力云圖分布，應(yīng)力分布的誤差較大，而對位移分布的影響較小，因此，不再分析其應(yīng)力的分布云圖，而分析液壓機(jī)各部分的位移響應(yīng)。

液壓機(jī)結(jié)構(gòu)各部分的位移測試點(diǎn)的設(shè)置如圖4所示。其中，立柱上的測試點(diǎn)間隔距離為1 m，液壓機(jī)的主要載荷加載在豎直方向－y方向上。因此，先來分析y方向上的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)。

1點(diǎn)位置的y向位移如圖5所示。加速度曲線如圖6所示。從圖5、圖6可以看出，1點(diǎn)位置的最大位移值約為6．1 mm，最小位移值約為0．4 mm，穩(wěn)定狀態(tài)的平均位移值約為3．4 mm，最小位移值為0．8 mm。節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷過短暫的初始響應(yīng)后開始穩(wěn)定振動，1點(diǎn)位置的初始加速度值為537 mm/s2，活動橫梁下的砧板與鍛件開始發(fā)生接觸，1點(diǎn)的加速度值由于接觸阻力先急劇下降后因變形阻力緩慢下降。最大加速度值為537 mm/s2，最小加速度值為0 mm/s2，穩(wěn)定狀態(tài)時的最大加速度值約為245 mm/s2。

圖4 液壓機(jī)結(jié)構(gòu)的位移測試點(diǎn)

圖5 1點(diǎn)y向位移圖

圖6 1點(diǎn)y向加速度圖

2點(diǎn)位置處的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)分別如圖7、圖8所示。3點(diǎn)位置處的位置響應(yīng)和加速度響應(yīng)分別如圖9、圖10所示?？梢钥闯?點(diǎn)位置和3點(diǎn)位置的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)與1點(diǎn)情況一致，只是初始加速度的響應(yīng)時間依次減慢。其中1點(diǎn)的加速度值是先急減后緩減，2點(diǎn)的加速度值是先急增后急減，3點(diǎn)的加速度值是先急増到一個較小的值，后緩減。

圖7 2點(diǎn)y向位移圖

圖8 2點(diǎn)y向加速度圖

圖9 3點(diǎn)y向位移圖

圖10 3點(diǎn)y向加速度圖

1、2、3點(diǎn)位置分別位于砧板、墊板和工作臺。4點(diǎn)的位置在上橫梁筋板下端上。4點(diǎn)位置的位移和加速度圖如圖11、圖12所示。4點(diǎn)位置的位移先從0開始慢慢增加到0．3，然后快速地增加到2，最后開始穩(wěn)定振動。出現(xiàn)這樣的情況是因?yàn)樯蠙M梁的載荷加載在油缸法蘭環(huán)面上，剛開始加載時由于油缸孔的變形，4點(diǎn)位置的位移延遲于加載位置的位移，在經(jīng)歷過變形的過程后，4點(diǎn)位置的位移也開始發(fā)生變化，直至振動穩(wěn)定。4點(diǎn)位置加速度先從 －537 mm/s2跳至900 mm/s2，然后激降至－100 mm/s2，最后開始穩(wěn)態(tài)振動。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)樯蠙M梁突然受載，由于上橫梁的剛度較大，變形產(chǎn)生了較大的回復(fù)力，使得加速度又跳至相反方向的最大加速度。在經(jīng)歷過短暫的震蕩后，加速度降至一個較小值，直至穩(wěn)定振動。值比較1、2、3點(diǎn)位置處的加速度，可以發(fā)現(xiàn)4點(diǎn)位置處的加速度值變化頻率要快的多，這應(yīng)該是由于上橫梁與立柱是耦合連接，使得上橫梁的結(jié)構(gòu)剛度要大。

圖11 4點(diǎn)y向位移圖

圖12 4點(diǎn)y向加速度圖

以上分析主要為y方向上的位移響應(yīng)，立柱的位移響應(yīng)主要在x方向上，為了分析立柱在x方向上的位移響應(yīng)，本研究在立柱的內(nèi)側(cè)中心線上隔1 m設(shè)置一個測試點(diǎn)。立柱測試點(diǎn)的x方向位移響應(yīng)值如表1所示。從表1中可以看出立柱兩端的初始位移值小，中間的位移值大。立柱整個響應(yīng)過程中最大的位移值分布趨勢和初始位移一致，而穩(wěn)定振動時立柱的平均位移值變化很小，這進(jìn)一步說明了液壓機(jī)整個位移分布中，立柱的變形位移最小。

通過對5、10、15點(diǎn)的速度和加速度分析發(fā)現(xiàn)，5、15點(diǎn)的加速度變化幅度較小，10點(diǎn)的加速度變化幅度很大，這說明了立柱兩端位置的結(jié)構(gòu)位移比中間的小。5、15點(diǎn)位置的速度變化幅度較小，10點(diǎn)的速度變化幅度很大。其中10點(diǎn)位置的最大速度為0．2 mm/s，最小速度為－0．16 mm/s。10點(diǎn)位置的速度呈鋸齒狀，這說明了立柱的中間x方向的剛度較小，結(jié)構(gòu)的變形較大。

2.2 以位移的方式加載的分析

ANSYS軟件載荷加載的方式包括位移載荷，模擬材料成形的仿真一般采用位移載荷的方式加載。以位移的方式加載可以節(jié)省計算時間和計算機(jī)資源，但一般情況活動橫梁的位移并不事先知道，因此先以力的方式加載，計算出活動橫梁的移動位移，再通過得到的位移載荷值加載，模擬出液壓機(jī)的材料成形過程。液壓機(jī)材料成形最后一步的變形和應(yīng)力分布云圖如圖13所示。從圖13中可以看出，液壓機(jī)的最大位移值為6．201 mm，最大位移出現(xiàn)在活動橫梁豎直方向。液壓機(jī)的最大應(yīng)力值為1 310 MPa，最小應(yīng)力值為0．187 MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓安裝位置的應(yīng)力集中處。

表1 立柱各測試點(diǎn)的位移值

圖13 液壓機(jī)位移和應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)束語

本研究首先建立了快速鍛造液壓機(jī)結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析有限元模型，進(jìn)而以力和位移兩種方式加載對其進(jìn)行了動態(tài)響應(yīng)分析，獲得了液壓機(jī)結(jié)構(gòu)的各位移測試點(diǎn)的位移、速度和加速度以及液壓機(jī)在動態(tài)載荷下的應(yīng)力和位移分布云圖，基本模擬了液壓機(jī)材料成形工作過程。通過液壓機(jī)結(jié)構(gòu)各位移測試點(diǎn)的位移、速度和加速度及動應(yīng)力分布計算結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)立柱中間x方向的剛度較小，結(jié)構(gòu)的變形較大;結(jié)構(gòu)動態(tài)最大位移值約為最大靜態(tài)位移值的2倍，結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷下的應(yīng)力也約為靜態(tài)下的2倍，這是快速鍛造液壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須要考慮的，也就是要進(jìn)行動態(tài)設(shè)計。同時，通過對液壓機(jī)結(jié)構(gòu)整體的動態(tài)位移響應(yīng)分析，本研究還發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)剛度薄弱環(huán)節(jié)，這可為在設(shè)計過程中更加合理地布置結(jié)構(gòu)剛度提供理論依據(jù)。

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