800 MN模鍛液壓機組合預緊機架危險點分析

高 璐，崔明亮，趙石巖，金 淼

(1．燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004;2．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著高溫合金、高強度合金以及鈦合金的飛速發(fā)展與應用，航空、航天、核能工業(yè)中所需要的主要構件正向大型整體模鍛和精密模鍛方向發(fā)展［1］。長期以來，由于大型模鍛成型設備能力的限制，我國重要的大型模鍛件主要依賴進口。800 MN模鍛液壓機的出現(xiàn)，將填補我國大型鍛壓設備的空白。

機架是液壓機的關鍵部件之一，工作時承受著巨大的載荷，結構的強度、剛度以及疲勞性能對整機的安全和產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性的影響［2］。機架的設計一般以靜載下強度和剛度條件為依據(jù)進行設計，但是液壓機的主要零部件大多是在承受多次交變載荷之后而疲勞破壞的，因此，疲勞壽命分析在液壓機本體設計中具有重要意義。進行疲勞壽命分析的首要問題是確定機架破壞的危險點，以便確定使用以及實驗中的監(jiān)測點。

本文利用有限元分析軟件MSC.Marc對800MN模鍛壓機機架進行分析，確定機架破壞的危險點，為疲勞壽命實驗提供理論論據(jù)。

1 800 MN核鍛液壓機機架結構

800 MN模鍛液壓機有正、側(cè)兩組機架，正面主機架采用板框組合預緊結構，如圖1所示。機架的主要部件包括C形板、十字鍵、夾緊梁與大拉桿。每五塊C形板組成一根立柱，左、右兩根立柱由上、下十字鍵聯(lián)接，再由拉桿和夾緊梁將其預緊成一體。在主機架兩側(cè)裝有側(cè)機架，主要作用是承受前后偏載。

圖1 800 MN模鍛液壓機機架三維實體模型Fig.1 3-D physical model of 800MN die-forging hydraulic press's frame

在安裝時，通過螺栓預緊的方式對機架進行預緊，確保機架不會開縫。加載時，在機架上部，載荷通過上墊板傳遞給C形板，使C形板產(chǎn)生拉伸彎曲變形趨勢，同時擠壓上十字鍵，施加了預緊力的大拉桿通過夾緊梁的作用，阻礙C形板的變形。如果預緊參數(shù)不合理，將發(fā)生開縫現(xiàn)象，影響接觸面之間的力流傳遞［3，4］，在接觸區(qū)域產(chǎn)生局部應力集中。反復加載會導致機架發(fā)生疲勞破壞，降低機架使用壽命。

2 有限元模型建立

本文采用UG軟件對機架進行三維實體建模，并進行網(wǎng)格劃分，再通過MARC軟件數(shù)據(jù)接口調(diào)用三維模型進行有限元建模。網(wǎng)格劃分采用了UG的網(wǎng)格自動劃分技術，選擇四節(jié)點四面體單元，并對C形板圓角、大拉桿根部、十字鍵接觸部位等關鍵受力部分進行了網(wǎng)格細化以提高計算精度，共劃分單元300240個，節(jié)點92667個。

材料屬性定義為線彈性、各向同性且不隨溫度變化，彈性模量E為2.07 GPa，泊松比μ為0.3，密度ρ為7800 kg/m3。C形板與十字鍵、夾緊梁、墊板之間定義接觸面，摩擦系數(shù)設為0.12。底座下底面節(jié)點施加固定約束。在機架上部四塊上墊板以及十字鍵中心五個位置和下部的兩塊下墊板上分別施加工作載荷，其值為800 MN。在外側(cè)拉桿和內(nèi)側(cè)拉桿分別施加95 MN和105 MN的預緊力。建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model of 800 MN die-forging hydraulic press's frame

3 模擬結果及分析

3.1 機架的整體性

組合結構機架液壓機在工作過程中必須保證機架各構件的結合面緊密結合，不出現(xiàn)開縫現(xiàn)象，這一特性稱為整體性。液壓機在承載過程中，構件結合面若出現(xiàn)開縫，卸載后恢復，必然會產(chǎn)生撞擊，并將首先在開縫處引起局部破壞，進而使整個結合面逐步失效，出現(xiàn)預緊松弛等現(xiàn)象，最終導致液壓機本體失效［5，6］。

圖3所示為機架承載后上部和下部構件之間的接觸狀態(tài)。計算結果表明，C形板與上、下十字鍵的接觸部位均未出現(xiàn)開縫現(xiàn)象，因此，在中心載荷工況下，外側(cè)拉桿和內(nèi)側(cè)拉桿預緊力分別為95 MN和105 MN時，組合機架的整體性良好。

3.2 危險點分析

危險點通常出現(xiàn)在以下三種情況:一是高應力區(qū)域，高應力區(qū)容易在加載過程中發(fā)生塑性變形而導致屈服失效;二是應力集中區(qū)，反復加載過程中應力集中容易引發(fā)裂紋萌生，產(chǎn)生疲勞破壞;三是構件之間接觸位置，由于聯(lián)接不對齊或不連續(xù)而導致高應力或應力集中。

圖4為加載前后機架等效應力分布云圖。從圖中可以看出，高應力區(qū)集中在上下橫梁區(qū)域。加載前，立柱幾乎沒有應力，各主要部件之間接觸的部位應力較高，主要為壓應力;加載后，立柱承受拉應力作用，但是應力水平仍然較低，而上下橫梁區(qū)域的高應力進一步加劇，尤其在C形板的各個凹槽處存在應力集中現(xiàn)象。

表1給出了加載前后機架各零部件最大等效應力數(shù)值。結合圖4可知，加載前大拉桿受到預緊力的作用，主要承受拉應力，加載后，C形板向外的擴張趨勢使大拉桿受到的拉應力進一步增大，大拉桿上的最大應力為228 MPa，發(fā)生在螺紋根部，遠遠小于其材料的屈服強度;夾緊梁上的高應力點發(fā)生在其與C形板接觸的棱邊上，主要是由于預緊過程中夾緊梁發(fā)生彎曲變形，直角棱邊與C形板產(chǎn)生線接觸引起的高應力，加載前后應力值變化不大，最高應力為257.6 MPa，未超出其屈服極限。上十字鍵的高應力也是由于變形產(chǎn)生線接觸引起，C形板發(fā)生彎曲變形，雖然未形成開縫，卻引起了應力的重新分布，使應力集中于遠離開縫趨勢的一側(cè)，最大應力為211.3 MPa，加載前后應力波動比較大。

表1 加載前后各零部件的最大等效應力Table 1 Maximum equivalent stress of each part before and after loading

C形板上的高應力區(qū)比較集中，主要分布于各個缺口處，如圖5所示。加載前后C形板各主要部位的等效應力值列于表2。比較加載前后的兩組數(shù)據(jù)，波動較小的說明高應力主要是由于預緊力作用產(chǎn)生，波動大的則可認為高應力是工作載荷引起的。

圖5 C形板高應力區(qū)Fig.5 High stress areas of C-plate

表2 加載前后C形板各處最大等效應力 MPaTable 2 Maximum equivalent stress at each point of C-plate before and after loading

由表2可知，C形板與夾緊梁接觸的圓弧過渡處應力值都比較高，最大等效應力位于C形板與下夾緊梁接觸的圓角過渡處，其值為429.3 MPa，加載前此處的應力值也較高，為423 MPa，因此，這一高應力區(qū)主要是由于施加的預緊力導致的。C形板與十字鍵接觸的圓弧過渡處應力不大，但其加載前后變化幅度較大，其為154.5 MPa，增幅達267.9%。在變化幅值較大的應力長期作用下，容易產(chǎn)生疲勞破壞，亦應該引起高度重視。

綜上所述，大拉桿端部退刀槽處，夾緊梁的棱角，上十字鍵與C形板的接觸邊緣以及C形板凹槽等地方，都存在較大的應力集中，是降低機架可靠性的危險點，應予以重點監(jiān)測。

4 結論

(1)對800 MN模鍛壓機組合預緊機架進行了有限元分析，在給定的預緊參數(shù)下，機架未發(fā)生開縫現(xiàn)象，整體性良好。

(2)預緊力和工作載荷均有可能導致機架局部產(chǎn)生高應力區(qū)。

(3)在大拉桿根部、夾緊梁棱角邊、上十字鍵與C形板的接觸邊緣以及C形板凹槽等處為易發(fā)生疲勞破壞的危險點，應在壓機使用中予以重點監(jiān)測。

［1］ 劉忠偉，鄧英劍，劉少軍，等．300MN模鍛水壓機主工作缸缸體的可靠性分析 ［J］．重型機械，2006，(5):16－19．

［2］ 余心宏，李天恩，張盛華，等．快鍛液壓機機架靜動態(tài)數(shù)值模擬 ［J］．重型機械，2005， (2):25－27．

［3］ 王亞軍，黃明輝，湛利華，等．組合式機架C形板與十字鍵接觸狀態(tài)研究［J］．現(xiàn)代制造工程，2009，(1):124－127．

［4］ 吳道輝，黃明輝，湛利華．內(nèi)外拉桿預緊組合結構預緊力配置規(guī)律的研究 ［J］．現(xiàn)代制造工程，2011，(4):116－119．

［5］ 吳生富，金淼，聶紹珉，等．液壓機全預緊組合機架的整體性分析［J］．鍛壓技術，2006，(3):111－114．

［6］ 吳生富，金淼，聶紹珉，等．大型鍛造液壓機全預緊組合機架的整體性及影響因素分析 ［J］．塑性工程學報，2006，(4):110－113．