液壓機(jī)插入式立柱性能分析

車永順，霍 光，李 宣，祁 建

（沈陽(yáng)北方重工有限公司 設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

0 引言

目前，我國(guó)液壓機(jī)主體機(jī)架絕大多數(shù)為傳統(tǒng)的立式上傳動(dòng)三缸、三梁、四柱式結(jié)構(gòu)，且采用全預(yù)緊組合機(jī)架模式。即用長(zhǎng)拉桿將上、下橫梁與立柱緊固在一起，立柱兩端面分別與上橫梁下端面和下橫梁上端面平齊貼合，再由設(shè)置在拉桿兩端的螺母施加一定的預(yù)緊力組成一個(gè)近似剛性框架。其立柱與上、下橫梁的接觸面由徑向方向設(shè)置的平鍵來定位，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)平面接觸式立柱結(jié)構(gòu)

近年來，隨著壓機(jī)設(shè)備噸位的逐漸增大，越來越多的用戶發(fā)現(xiàn)，這種傳統(tǒng)平面接觸式立柱結(jié)構(gòu)的壓機(jī)抗偏載能力較差，立柱與上、下橫梁的接觸面在壓機(jī)受到較大偏載時(shí)會(huì)出現(xiàn)開縫現(xiàn)象。因此，對(duì)于受偏載較大的壓機(jī)，建議采用一種新型的立柱插入式機(jī)架結(jié)構(gòu)。該插入式立柱機(jī)構(gòu)是在傳統(tǒng)立柱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將圓立柱插入上、下橫梁一定深度，然后同樣在拉桿上施加預(yù)緊力，使壓機(jī)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，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的壓機(jī)能承受更大的偏心載荷。

雖然插入式立柱結(jié)構(gòu)可以提高壓機(jī)的偏載能力和降低壓機(jī)的預(yù)緊力，但立柱在上、下橫梁的插入深度對(duì)壓機(jī)的應(yīng)力狀態(tài)、變形和接觸情況的影響，則沒有具體的解決措施和計(jì)算方法。本文就立柱不同的插入深度進(jìn)行三維建模，用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值分析，得出不同插入深度下機(jī)架的應(yīng)力狀態(tài)、變形及立柱和上、下橫梁的接觸狀況；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。

1 插入式立柱的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

插入式立柱結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由立柱1、內(nèi)錐套2、外錐套3、拉桿4、上橫梁5、下橫梁6和螺母7組成。外錐套緊緊壓著內(nèi)錐套，內(nèi)錐套為分體式，整體加工完成后切成兩半，內(nèi)、外錐套采用具有一定錐度的套筒，保證內(nèi)錐套與立柱的緊密貼合。計(jì)算機(jī)架模型，可以得出該插入式立柱中間點(diǎn)位置所受最大彎矩比傳統(tǒng)平面接觸式立柱要小一半，且產(chǎn)生的撓度僅為后者的1/4。

圖2 插入式立柱結(jié)構(gòu)

插入式立柱具有如下特點(diǎn)：①立柱插入上、下橫梁中，且采用錐套與立柱結(jié)合可使立柱與上、下橫梁的結(jié)合更加緊密，整體壓機(jī)更加接近剛性框架，壓機(jī)的變形減小；②整體壓機(jī)的抗偏載能力提高；③壓機(jī)預(yù)緊力減小，應(yīng)力降低。

2 機(jī)架有限元模型建立

為研究立柱在上、下橫梁內(nèi)的插入深度對(duì)壓機(jī)的抗偏載能力、機(jī)架受力和立柱與上、下橫梁接觸狀態(tài)的影響，本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS分別對(duì)同臺(tái)壓機(jī)、立柱不同插入深度下機(jī)架的應(yīng)力狀態(tài)、變形及立柱和上、下橫梁的接觸狀況展開系統(tǒng)深入的研究，找出合適本臺(tái)壓機(jī)的插入深度。

本文取已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用的35MN鍛造壓機(jī)模型進(jìn)行無偏載和有偏載兩種情況來分析研究。由于機(jī)架大體對(duì)稱，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)化分析過程，取整體壓機(jī)的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，不影響計(jì)算結(jié)果。

具體實(shí)施：①網(wǎng)格劃分；②預(yù)緊條件：取等效預(yù)緊系數(shù)1.4，則單根拉桿預(yù)緊力12.25MN；③工況條件：公稱壓力35MN，無偏載，作有偏載分析時(shí)，在立柱中心位置0.4m2的面上施加16MPa壓強(qiáng)；④在上、下橫梁和立柱結(jié)合面上采用有摩擦的接觸類型，摩擦系數(shù)取0.15，算法為罰函數(shù)法；⑤在活動(dòng)橫梁和立柱接觸處預(yù)置間隙0.7，設(shè)置接觸類型無摩擦，其余接觸類型均為固結(jié)，如圖3所示。整體性分析時(shí)，劃分預(yù)緊載荷步和工作載荷步兩步分析，且假設(shè)材料各向同性。

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

圖3 1/4模型網(wǎng)格及加載工況

上橫梁拉桿處高度為1620，下橫梁拉桿處高度為1600，現(xiàn)分別取插入上橫梁深度為640、720、800、960、1120?？紤]到實(shí)際壓機(jī)工作時(shí)不可避免地存在晃動(dòng)，立柱下部受力較上部大，立柱插入下橫梁深度比上橫梁大些，取1000。分別計(jì)算這5種不同插入深度對(duì)壓機(jī)的應(yīng)力狀態(tài)的影響，檢測(cè)上橫梁、立柱的受力情況以及上、下橫梁和立柱的接觸面是否有開縫出現(xiàn)等。

由于分析的數(shù)據(jù)圖量較多，本文以圖表形式表達(dá)，更為清晰明了。圖4為無偏載情況時(shí)的上橫梁、立柱受力狀態(tài)和立柱與上、下橫梁的接觸狀態(tài)。圖5為壓機(jī)受偏載力時(shí)的上橫梁、立柱受力狀態(tài)和立柱與上、下橫梁的接觸狀態(tài)。

圖4 無偏載時(shí)立柱與上橫梁受力及接觸狀態(tài)

圖5 有偏載時(shí)立柱與上橫梁受力及接觸狀態(tài)

由上述圖表可知，不論壓機(jī)是否受偏載力作用，不同的插入深度對(duì)壓機(jī)受力和接觸狀態(tài)都有一定影響，且在立柱插入深度為800mm～960mm時(shí)，壓機(jī)受力和開縫情況比較良好，整體性保持最好。

綜上，本壓機(jī)在立柱插入深度為800mm～960mm（即上橫梁高度的50%～60%）時(shí)，壓機(jī)的整體性能最好，承載能力穩(wěn)定，最能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）在相同的預(yù)緊系數(shù)及工作狀況下，立柱插入上橫梁的深度對(duì)壓機(jī)的變形和橫梁的應(yīng)力有較大影響，插入式立柱的相對(duì)變形有較大幅度減小，插入式立柱相對(duì)剛度增強(qiáng)。

（2）插入式立柱使壓機(jī)抗偏載能力提高，該研究結(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。

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