872t四柱式壓磚機(jī)機(jī)架預(yù)緊力分析

吳林峰，萬(wàn)甲尚，王文

872t四柱式壓磚機(jī)機(jī)架預(yù)緊力分析

吳林峰，萬(wàn)甲尚，王文

（華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

與國(guó)外壓磚機(jī)相比，國(guó)產(chǎn)壓磚機(jī)在近年來(lái)發(fā)展迅速且向著大噸位高效率發(fā)展。然而在實(shí)際生產(chǎn)中普遍暴露出壓磚機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，從而使壓磚機(jī)在工作過(guò)程中容易產(chǎn)生開(kāi)縫和破壞的問(wèn)題，已成為制約其行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。本文研究的872 t四柱式壓磚機(jī)采用的是預(yù)應(yīng)力組合式框架結(jié)構(gòu)。在使用時(shí)機(jī)架受載荷作用容易導(dǎo)致機(jī)架松動(dòng)，使上下橫梁與立柱之間產(chǎn)生縫隙，所以需要對(duì)機(jī)架施加預(yù)緊力，以保證機(jī)架在受載荷作用時(shí)，依然有殘余預(yù)緊力使機(jī)架保持一個(gè)整體。運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)某872 t四柱式壓磚機(jī)機(jī)架裝配預(yù)緊力分配規(guī)律和預(yù)緊時(shí)對(duì)拉桿的預(yù)緊順序進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)按預(yù)緊順序預(yù)緊時(shí)，第一組拉桿的預(yù)緊力受第二組拉桿預(yù)緊力的影響而減小呈線性關(guān)系，且通過(guò)擬合曲線得到其函數(shù)關(guān)系,求出當(dāng)四根拉桿預(yù)緊力相等時(shí)的第一組拉桿初始預(yù)緊力大小。對(duì)實(shí)際安裝生產(chǎn)的指導(dǎo)有重要意義。

四柱式壓磚機(jī)機(jī)架；裝配預(yù)緊力；預(yù)緊力順序

四柱式壓磚機(jī)是一種可以將建筑廢渣、粉煤灰、礦渣、爐渣、電石泥等廢料壓制為磚的液壓機(jī)械。此壓磚機(jī)機(jī)架采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其目的就是在裝配過(guò)程中，用合理的預(yù)緊力和預(yù)緊順序?qū)捍u機(jī)各部件固定下來(lái)，并要確保壓磚機(jī)的各部件在工作狀態(tài)下盡可能緊密結(jié)合在一起使壓磚機(jī)正常工作。但是預(yù)緊力過(guò)小，容易導(dǎo)致橫梁與立柱之間產(chǎn)生開(kāi)縫，影響壓機(jī)精度；預(yù)緊力過(guò)大，容易使拉桿產(chǎn)生早期疲勞破壞，降低拉桿壽命。對(duì)預(yù)緊力的研究通常以預(yù)緊順序、預(yù)緊方式和預(yù)緊力大小為對(duì)象來(lái)進(jìn)行研究。

壓磚機(jī)根據(jù)立柱根數(shù)可分為二柱式和四柱式，對(duì)二柱式的研究較為完善。王小紅等[1]在詳細(xì)介紹結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)受力情況和預(yù)緊力進(jìn)行分析計(jì)算，再結(jié)合有限元分析，歸納二柱式預(yù)應(yīng)力組合框架的預(yù)緊力計(jì)算方法和受力—變形關(guān)系。黃奎等[2]采用ANSYS公司推出的協(xié)同仿真環(huán)境Workbench軟件對(duì)二柱式壓機(jī)進(jìn)行了有限元計(jì)算，得到不同預(yù)緊系數(shù)下二柱式壓機(jī)拉桿的受力情況，從中找出拉桿預(yù)緊力依加載順序而遞減規(guī)律，對(duì)實(shí)際設(shè)備安裝具有一定的指導(dǎo)意義。朱培浩等[3]對(duì)四柱式壓磚機(jī)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)：材料力學(xué)為了計(jì)算方便，用的是簡(jiǎn)化的模型，特別是用了等效截面的方式來(lái)處理復(fù)雜的四柱式模型，和真實(shí)模型相差較大，算出的預(yù)緊力和真實(shí)值會(huì)有較大的誤差。因此，壓磚機(jī)機(jī)架是工作裝置的重要組成部分之一，直接關(guān)系到制磚質(zhì)量和效率，有必要以盡可能較為接近的模型對(duì)預(yù)緊力預(yù)緊順序和大小進(jìn)行研究。

本文針對(duì)四柱式壓磚機(jī)為研究對(duì)象，利用Workbench軟件進(jìn)行有限元分析，對(duì)預(yù)緊順序中第二組預(yù)緊的拉桿對(duì)第一組的影響進(jìn)行研究，得到預(yù)緊力的大小和遞減規(guī)律。

1 壓磚機(jī)機(jī)架模型建立

1.1 壓磚機(jī)主要結(jié)構(gòu)及尺寸

本文所研究的四柱式壓磚機(jī)機(jī)架由上橫梁、下橫梁、立柱、拉桿和螺母組成。如圖1所示。其主要尺寸如表1所示，裝配后總高3950 mm、長(zhǎng)2860 mm、寬1930 mm。

表1 壓磚機(jī)各部件尺寸（單位：mm)

1.2 結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化

四柱式壓磚機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，其力學(xué)性能與很多因素相關(guān)。因此為了可以有效節(jié)省模型的計(jì)算時(shí)間，更好的解決實(shí)際問(wèn)題。建模時(shí)，在不影響分析結(jié)果的前提下，作以下簡(jiǎn)化：

（1）壓磚機(jī)的材料認(rèn)為密度分布均勻，并且是理想彈性體；

（2）下橫梁被認(rèn)為固定在剛性地面上；

（3）對(duì)于明顯不會(huì)影響機(jī)架整體強(qiáng)度、剛度的部位，比如螺紋孔、銷孔、上橫梁和下橫梁的一些臺(tái)面等可以簡(jiǎn)化；

（4）活動(dòng)橫梁和立柱之間假定沒(méi)有運(yùn)動(dòng)上的干涉，于是在整個(gè)機(jī)架的分析過(guò)程中，可以去掉活動(dòng)橫梁。

1.3 實(shí)體模型的建立

利用三維建模軟件SolidWorks建立機(jī)架實(shí)體模型，然后導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行有限元計(jì)算。為了保證模型的信息不丟失，在SolidWorks建立模型都以mm為單位，在Workbench中的單位制為mm-kg-s。

1.4 各部件材料屬性

各部件材料性能如表2所示。

1.5 單元類型的選擇

因?yàn)閴捍u機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，故要選擇高階單元，因?yàn)楦唠A單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲線或曲面邊界，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場(chǎng)函數(shù)以提高計(jì)算精度，故選擇Solid186單元。Solid186是一個(gè)高階3維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，其具有的二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的網(wǎng)來(lái)解決模型復(fù)雜的問(wèn)題。

1.6 網(wǎng)格劃分

由于壓磚機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文采用網(wǎng)格自動(dòng)化分方式，且人工設(shè)置網(wǎng)格大小為40 mm，壓磚機(jī)網(wǎng)格劃分如圖2所示，共有226779個(gè)單元和692044個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表2 各部件材料屬性

1.拉桿；2.螺母；3.上橫梁；4.立柱；5.下橫梁。

圖2 四柱式壓磚機(jī)網(wǎng)格劃分圖

1.7 壓磚機(jī)中的接觸問(wèn)題

本文所研究的四柱式壓磚機(jī)各部分之間的接觸均為面－面的接觸，且認(rèn)為各部件均為剛體。通過(guò)分析把接觸分為：上橫梁與螺母的接觸、上橫梁與立柱的接觸、上橫梁與拉桿的接觸、立柱與拉桿的接觸、立柱與下橫梁的接觸、拉桿與下橫梁的接觸和螺母和拉桿的接觸。上、下橫梁和立柱與拉桿的摩擦類型選為Frictional接觸類型，且摩擦系數(shù)選為0.3?？紤]到上、下橫梁與螺母之間和上下橫梁與立柱之間的水平位移被限制，因此，選用Frictional接觸類型并不能解決問(wèn)題，所以在摩擦類型里選擇rough接觸類型，此時(shí)，認(rèn)為摩擦系數(shù)無(wú)限大。螺母和拉桿的接觸為默認(rèn)的Bonded接觸類型。

2 壓磚機(jī)預(yù)緊力分析

2.1 預(yù)緊力計(jì)算

通過(guò)對(duì)機(jī)架裝配時(shí)預(yù)緊力的研究發(fā)現(xiàn)，圖3中，在施加預(yù)緊力后拉桿被拉伸，機(jī)架被壓縮，機(jī)架的壓縮由上橫梁、立柱和下橫梁的壓縮組成，拉桿的伸長(zhǎng)量與機(jī)架的壓縮量是相等

的，即圖3中點(diǎn)處。當(dāng)壓磚機(jī)工作時(shí)，因施加工作載荷的原因拉桿繼續(xù)伸長(zhǎng)，但此時(shí)機(jī)架的壓縮量變小，如果預(yù)緊力偏小，當(dāng)施加工作載荷后機(jī)架壓縮量減小到小于等于0時(shí)，即圖3中點(diǎn)處，此時(shí)會(huì)造成上、下橫梁和立柱之間出現(xiàn)縫隙，影響壓機(jī)的正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞壓機(jī)，壓磚機(jī)總的預(yù)緊力一般取為公稱壓力的1.2～2倍，該壓磚機(jī)的預(yù)緊力取為公稱壓力的1.2倍：

機(jī)架共有4根拉桿，則平均每個(gè)拉桿受預(yù)緊力＝0/4＝2.55×106N。

2.2 預(yù)緊順序研究

由機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，在對(duì)有多根拉桿組成的機(jī)器施加預(yù)緊力時(shí)應(yīng)采用對(duì)角加力的方式。故四柱式壓磚機(jī)施加預(yù)緊力的步驟為：在施加預(yù)緊力前先把4根拉桿分為2組，其中拉桿1和拉桿2為一組，拉桿3和拉桿4為一組。在預(yù)緊過(guò)程中，預(yù)緊次序按照?qǐng)D4所示編號(hào)順序：先對(duì)第一組施加預(yù)緊力，第一組拉桿受1力預(yù)緊后，機(jī)架被壓縮，拉桿受力伸長(zhǎng)，此時(shí)同組兩根拉桿受相等的預(yù)緊力，故加載完后同組兩根拉桿的最終預(yù)緊力相等。當(dāng)?shù)谝唤M預(yù)緊后，再對(duì)第二組施加預(yù)緊力，此時(shí)第二根拉桿受2力預(yù)緊后，機(jī)架繼續(xù)被壓縮，此時(shí)第二組拉桿的初始預(yù)緊力等于最終預(yù)緊力。在實(shí)際生產(chǎn)中，要求兩組拉桿加載完成后不產(chǎn)生偏載。接下來(lái)通過(guò)有限元來(lái)模擬第二組預(yù)緊力加載對(duì)第一組的影響，從而得到第一組預(yù)緊力減小規(guī)律，來(lái)獲得準(zhǔn)確的初始預(yù)緊力。

3 有限元計(jì)算

通過(guò)以往對(duì)液壓機(jī)械的研究發(fā)現(xiàn)，材料力學(xué)為了計(jì)算方便用了等效截面的方式來(lái)處理復(fù)雜的上橫梁、下橫梁、立柱模型，和真實(shí)模型相差較大，算出的預(yù)緊力和真實(shí)值會(huì)有較大的誤差。

圖3 拉桿預(yù)緊力與變形關(guān)系圖

圖4 壓磚機(jī)拉桿預(yù)緊順序圖

對(duì)第一組初始預(yù)緊力設(shè)9個(gè)值：

（1）2.0×106N

（2）2.25×106N

（3）2.5×106N

（4）2.75×106N

（5）3.0×106N

（6）3.25×106N

（7）3.5×106N

（8）3.75×106N

（9）4.0×106N

第二組初始預(yù)緊力則始終為2.55×106N，以此來(lái)研究第二組預(yù)緊力對(duì)第一組預(yù)緊力的影響規(guī)律。

3.1 計(jì)算過(guò)程

（1）對(duì)第一組施加初始預(yù)緊力；

（2）對(duì)第二組施加初始預(yù)緊力；

（3）進(jìn)行Workbench計(jì)算；

（4）對(duì)第一組拉桿最終預(yù)緊力進(jìn)行分析。

3.2 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)Workbench計(jì)算；得出取第一組拉桿初始預(yù)緊力為一組值時(shí)，在第二組拉桿預(yù)緊力不變的情況下，對(duì)第一組拉桿預(yù)緊力的影響如表所示。在實(shí)際工作中，由于模型的復(fù)雜導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算出第二組拉桿的預(yù)緊力對(duì)第一組的影響，故通過(guò)有限元來(lái)進(jìn)行一組數(shù)據(jù)的仿真計(jì)算，并擬合出第一組拉桿預(yù)緊力的變化，從而更準(zhǔn)確地得到其變化的規(guī)律。

在實(shí)際安裝中，壓磚機(jī)的四根拉桿最終預(yù)緊力要相等，使壓磚機(jī)不發(fā)生偏載現(xiàn)象，以提升壓磚機(jī)強(qiáng)度和工作精度。在圖5所示的應(yīng)力云圖中，當(dāng)?shù)谝唤M拉桿預(yù)緊力受第二組預(yù)緊力影響后減小為和第二組一樣大小時(shí)，此時(shí)的第一組初始預(yù)緊力為所求的預(yù)緊力。

圖5 Workbench預(yù)緊力分析應(yīng)力結(jié)果

表3 拉桿1、拉桿4預(yù)緊力有限元分析結(jié)果

圖6 拉桿預(yù)緊力擬合曲線

故從擬合曲線中得知，只要知道了四根拉桿的最終預(yù)緊力，可以得出第一組拉桿的初始預(yù)緊。根據(jù)上面坐標(biāo)系中擬合曲線呈線性關(guān)系，得出關(guān)于此線段的函數(shù)表達(dá)式為：

＝1.002＋0.1235 （2）

根據(jù)要求最終預(yù)緊力要達(dá)到2.55×106N，代入式（2）得到初始預(yù)緊力為2.68×106N。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ANSYS-Workbench對(duì)某872 t四柱式壓磚機(jī)機(jī)架裝配預(yù)緊力分配規(guī)律和對(duì)拉桿的預(yù)緊順序進(jìn)行研究，分析得到當(dāng)壓磚機(jī)機(jī)架第一組拉桿初始預(yù)緊力大小為2.68×106N時(shí)，四根拉桿的最終預(yù)緊力相等且都為2.55×106N。第一組拉桿的初始預(yù)緊力和最終預(yù)緊力的函數(shù)關(guān)系為＝1.002＋0.1235，遞減規(guī)律呈線性關(guān)系。該結(jié)論可對(duì)壓磚機(jī)在實(shí)際安裝預(yù)緊過(guò)程中預(yù)緊力的變化作理論指導(dǎo)，對(duì)實(shí)際安裝生產(chǎn)有重要意義。

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Analysis of Pre-tightening Force of the 872 t Four-column Brick Press

WU Linfeng，WAN Jiashang，WANG Wen

( School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Compared with foreign brick presses, domestic brick presses have developed rapidly in recent years, directing towards large tonnage and high efficiency. However, in actual production, there exits the problem of insufficient structural stability of the brick press, so that it is prone to cracking and damage during the working process. This has become a major restriction to its industry competitiveness. This paper studies an 872 t four-column brick press using a pre-stressed combined frame structure. It is easy for the frame to become loose when it is under load, causing a gap between the upper and lower beams and the pillars. Therefore, it is necessary to apply a pre-tightening force to the frame to ensure that it has a residual pre-tightening force under load so as to keep the frame as a whole. This paper uses ANSYS-Workbench to study the pre-tightening force distribution rule of the frame assembly of the 872 t four-column brick press and the pre-tightening sequence of the tie rods. The tightening force is affected by the pre-tightening force of the second group of tie rods and decreases linearly, and the function relationship is obtained by fitting the curve to obtain the initial pre-tightening force of the first group of tie rods when the pre-tightening forces of the four tie rods are equal. This finding has great significance in actual installation and production.

four-column brick press frame；assembly pre-tightening force；pre-tightening force sequence

TH13；TH315.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.002

1006－0316 (2021) 04－0008－06

2020－09－10

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（20A450002）

吳林峰（1970－），女，河南潢川人，博士，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及振動(dòng)，E-mail：327644048@qq.com；萬(wàn)甲尚（1995－），河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)值分析。