基于憋壓桿受力分析的擠壓機液壓試驗優(yōu)化

孫 熙 魏世偉 譙 波 邱中華

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量、成本、制造周期已成為當代企業(yè)是否能夠立足于市場的關鍵，擠壓機主缸體壓力試驗要求壓力高，需要灌入大量液壓油，投入大量時間進行打壓。打壓成本和時間直接關系到整臺擠壓機設備的生產(chǎn)成本和周期，本文以鋁擠壓機壓力試驗為例，通過對憋壓桿進行受力分析，優(yōu)化憋壓桿結(jié)構(gòu)，從而降低壓力試驗成本，縮短壓力試驗時間。

1 擠壓機簡介

擠壓機常見的規(guī)格有75 MN、125 MN、160 MN擠壓機。各種規(guī)格擠壓機均由缸體、擠壓桿、機架、換模工具、主剪刀、擠壓容室構(gòu)成。通過主缸體內(nèi)主柱塞的前后運動，產(chǎn)生高達28 MPa的工作壓力，帶動擠壓桿在擠壓容室內(nèi)擠壓鋁坯。因此在制造廠裝配現(xiàn)場，均需進行壓力試驗，試驗壓力35 MPa，確保擠壓機在用戶現(xiàn)場工作時，各密封元件和重要的受力件等能在高壓下的正常使用。

2 傳統(tǒng)壓力試驗方法及存在的問題

缸體部件主要由主缸體、主柱塞、沖液閥等構(gòu)成，如圖1。

圖1 擠壓機裝配圖

傳統(tǒng)的壓力試驗方法，通過液壓站和沖液閥向主缸體和主柱塞之間灌入液壓油，在液壓油壓力作用下，帶動主柱塞向右移動，通過擠壓桿穿過擠壓容室，將壓力作用在擠壓機前梁上，產(chǎn)生擠壓力。由于主缸體內(nèi)腔尺寸?1770 mm，主柱塞行程3350 mm，因此需要灌入大量液壓油，經(jīng)計算，充滿主缸的體積達18 m3，需要80多桶液壓油。

由此可見，傳統(tǒng)液壓試驗方法需要大量的液壓油，從液壓站灌入，完成壓力試驗后再抽出液壓油，需要耗費大量時間。傳統(tǒng)液壓試驗方法存在液壓油耗費大，壓力試驗時間過長。操作空間局限在3350 mm范圍內(nèi)，行車起吊、操作空間狹小，僅能使用一臺行車進行操作。

3 液壓試驗方法改進

在擠壓桿和前梁之間，增加一個輔助工裝，通過測量，發(fā)現(xiàn)擠壓容室與擠壓桿之間有1600 mm空擋，將剪切墊、擠壓墊厚度尺寸排除，可以制作一根長度2800 mm的憋壓工裝桿。擠壓容室內(nèi)孔直徑?460 mm，憋壓桿直徑按?400 mm進行制作，材料選用各項力學性能優(yōu)良的45號鋼(調(diào)質(zhì)處理)。打壓工裝最終為尺寸?400×2800 mm的圓柱形棒料，用于減少主缸的伸出量。憋壓桿見圖2，憋壓桿壓力試驗現(xiàn)場照片見圖3。

圖2 憋壓桿

圖3 裝上憋壓桿的壓力試驗

改進后，加入憋壓桿后，主柱塞行程降低到2800 mm，這樣每臺試壓油料僅需要40余桶，與傳統(tǒng)方法相比，壓力試驗時間和耗油量均有很大改善。

在75 MN鋁擠壓機裝配中，總裝完成后，需進行35 MPa主缸壓力試驗，由于試驗工裝在壓力作用下產(chǎn)生變形，擠壓容室受憋壓桿側(cè)向擠壓發(fā)生位移，因而容易對整個擠壓機設備精度造成嚴重破壞。而且，此設備共有5臺，若采取同樣的試驗方案，將對整個試驗造成較大影響。

綜合分析，在壓力達到高壓范圍后，擠壓容室相對于擠壓機本體發(fā)生位移，壓套裝配精度產(chǎn)生變化，引起擠壓機整體基礎精度下降，停止試驗后，對打壓工裝進行拆除，發(fā)現(xiàn)進入擠壓容室部分的憋壓桿變形嚴重，這是造成擠壓容室發(fā)生位移的主要原因。

如果不進一步改進，一根憋壓桿僅能完成1～2臺擠壓機的壓力試驗，彎曲變形后需重新投料制作新憋壓桿才能完成剩余幾臺擠壓機的打壓。且彎曲變形后，造成擠壓容室位移，需花費大量時間重新調(diào)整，因此，本方法雖然節(jié)約了油料消耗，縮短了液壓試驗時間，但是制作憋壓桿工裝成本較高，且有造成擠壓容室位移的風險。

4 憋壓桿受力分析

憋壓桿受力可以簡化為壓桿穩(wěn)定校核模型，如圖4。對于中心受壓的憋壓桿，只有軸向壓力P等于臨界載荷Pcr時，憋壓桿才會處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 憋壓桿受力

4.1 兩端鉸支約束憋壓桿的臨界載荷計算

設憋壓桿處于臨界狀態(tài)，建立w-x坐標系，在距離左端為x的截面處的撓度為w，則該截面的彎矩為：

M(x)=Pcrw

(1)

撓曲線的近似微分方程為：

EIw″=M(x)=-Pcrw

(2)

若令k2=Fcr/EI

(3)

則式(2)可以寫成：

w″+k2w=0

(4)

這個二階常系數(shù)線性微分方程的通解為：

w=C1sinkx+C2coskx

(5)

根據(jù)壓桿的約束情況，有兩個邊界條件：在x=0處，w=0；在x=l處，w=0。

將第一個邊界條件代入式(5)，得C2=0

式(5)可改寫成

w=C1sinkx

(6)

式(6)表示撓曲線為正弦曲線。將第二個邊界條件代入式(6)，可得C1sinkl=0，由此得到sinkl=0

可知kl=nπ，n=0，1，2，3，

(7)

將式(7)代入式(3)得到

Pcr=π2n2EI/l2，n=0，1，2，3，

(8)

根據(jù)公式(8)應選壓桿失穩(wěn)時的最小臨界力，即當n=1時，得到Pcr=π2EI/l2(歐拉公式)。

4.2 其他約束條件下憋壓桿的臨界力

當壓桿的約束情況發(fā)生改變時，臨界載荷相應變化。但根據(jù)兩端鉸支壓桿的撓曲線(半波正弦曲線)，與其他約束條件的撓曲線綜合，可得到歐拉公式的一般形式：

Pcr=π2EI/(μl)2

(9)

圖5 常見約束細長壓桿的長度因數(shù)

壓桿處于臨界狀態(tài)時，臨界應力為：

σcr=Pcr/A=π2EI/[(μl)2A]

(10)

如令λ=μl/i，則細長壓桿的臨界應力為：

σcr=π2E/λ2

(11)

歐拉公式的適用條件是：

σcr=π2E/λ2≤σp或λp≥π(E/σp)1/2

(12)

只有當柔度λ≥λp時，歐拉公式才適用。這一類壓桿稱為大柔度桿或細長桿。在實際工程中，如果壓桿的柔度小于λp時，不能應用歐拉公式來求解臨界應力。而通常采取相應經(jīng)驗公式計算σcr=a-bλ。

幾種常用材料的a和b值見表1。

表1 常用材料的a和b值

經(jīng)驗公式σcr=a-bλ的適用條件是λs<λ<λp。柔度小于等于λs的壓桿，塑性材料的臨界應力為σcr=σs。三類壓桿的計算公式以及適用范圍見圖6。

圖6 臨界應力總圖

4.3 憋壓桿穩(wěn)定性校核

根據(jù)75 MN鋁擠壓機實際打壓工況，主缸內(nèi)的液壓油推動主柱塞以及擠壓工具(圖7)向前移動，將力傳遞給憋壓桿(圖8)。

綜上所述，在可持續(xù)發(fā)展大環(huán)境下，傳統(tǒng)金融發(fā)展方式已經(jīng)無法滿足新時代具體要求，綠色金融的發(fā)展，具有一定必然性。綠色金融長效機制的構(gòu)建，要與社會可持續(xù)發(fā)展需求保持一致，這就必須要注重政策保障機制、市場運作機制以及人才培訓機制的規(guī)范化構(gòu)建，加強對綠色金融的可持續(xù)性發(fā)展研究分析，確保綠色金融長效機制符合市場特征并滿足金融行業(yè)發(fā)展需求，從而逐步增強金融產(chǎn)業(yè)競爭力，推進整個行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

圖7 擠壓工具

圖8 憋壓桿

憋壓桿受力：

F=PS=PπD2/4=8.32×107N

式中D為主柱塞外徑D=1740 mm；P為試驗壓力，P=35 MPa；憋壓桿由45號鋼制成，查表可知σs=350 MPa，σp=280 MPa，E=210 GPa，長度l=2800 mm，直徑d=400 mm。最大壓力F=8.32×107N。

計算憋壓桿對應的λp為：

λp=π(E/σp)1/2=86

憋壓桿兩端可以簡化為一端固定，一端自由，即μ=2

憋壓桿截面為圓形，i=(I/A)1/2=d/4=0.1 m

可以求出憋壓桿的柔度，λ=μl/i=56<λp(不能采用歐拉公式判斷)。

計算憋壓桿λ0來判斷能否采用直線公式，查表可得到45號鋼的相關a和b的數(shù)據(jù)a=461 MPa，b=2.568 MPa。

λ0=(a-σs)/b=43.2<λ，即λ0<λ<λp

由極限公式σcr=a-bλ=301 MPa，可以算出臨界壓力為：

Fcr=σcrA

=3.78×107N

通過上述分析可知，要避免憋壓桿彎曲變形，只有縮短憋壓桿長度和增加憋壓桿直徑兩種方法。憋壓桿直徑受擠壓容室內(nèi)孔?460 mm限制，而且單邊要留30 mm間隙，防止彎曲變形后取不出憋壓桿，因此憋壓桿直徑?400 mm無法進一步增加。而縮短憋壓桿長度，將增加缸體內(nèi)主柱塞的行程，灌入的液壓油相應增加。因此通過憋壓桿受力分析，在保證不彎曲的前提下，優(yōu)化憋壓桿結(jié)構(gòu)，使憋壓桿長度盡量長，才能最大化的降低液壓油消耗，并縮短試壓時間。

5 憋壓桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過上述分析，對憋壓桿進行改進優(yōu)化，制作一根?400 mm×450 mm的憋壓桿1，材料為42CrMo(見圖9)和一根?800 mm×2000 mm憋壓桿2，材料為45鋼(見圖10)。自行設計工裝尺寸，滿足讓工裝伸出擠壓容室的長度，通過測量，尺寸長度定位450 mm，為避免對擠壓工具傷害拉緊螺桿的螺紋，采用尾部銷軸式安裝設計，間隙設計為0.15～0.25 mm，長度300 mm。

圖9 ?400 mm的憋壓桿1

圖10 ?800 mm×2000憋壓桿2

壓力試驗時，將憋壓桿1裝入擠壓桿對應孔內(nèi)，使憋壓桿一端有定位支撐，另一端支墊平穩(wěn)后行車脫鉤，節(jié)省一臺行車起吊。用行車將憋壓桿2吊起，一端與憋壓桿1接觸，另一端與工件前梁部件接觸，打壓過程中行車不脫鉤。根據(jù)計算，?450 mm憋壓桿1和?800×2000 mm憋壓桿2完全能承受35 MPa試驗壓力，不會彎曲變形。一套憋壓桿可以反復使用，降低了油料消耗，節(jié)約了打壓時間，達到預期目的。

通過壓力試驗，工裝完全符合使用要求，未見明顯的變形，而且可重復利用節(jié)約了工裝成本約10萬元。油料消耗從原來的40桶縮減為10桶。通過降低油料消耗，減少鉗工裝配時間，總計節(jié)約費用約15.242萬元。

6 結(jié)論

通過對擠壓機裝配與調(diào)試進行總結(jié)分析，得出以下結(jié)論：

(1)改進后的擠壓機壓力試驗憋壓裝置能較短時間內(nèi)完成擠壓機憋壓試驗，既節(jié)約了時間，又極大的降低了油料消耗。

(2)改進后的擠壓機壓力試驗憋壓裝置可用于其他型號擠壓機壓力試驗。