大型鍛造壓機插入式立柱預應力機架分析研究

王勇勤， 劉志芳，嚴興春，韓炳濤，成先飚，張 君

（1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030；2.中國重型機械研究院，陜西 西安 721000）

大型鍛造壓機插入式立柱預應力機架分析研究

王勇勤1， 劉志芳1，嚴興春1，韓炳濤2，成先飚2，張 君2

（1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030；2.中國重型機械研究院，陜西 西安 721000）

針對鍛造壓機常規平接式預應力機架的立柱抗水平載荷能力差和端面接觸狀況不好等缺點，對一種立柱插入式預應力機架結構展開研究；分別利用解析法和有限元法對兩種結構進行了分析，研究了在相同條件下平接式和立柱插入式兩種機架的應力狀態、變形及端面接觸和橫梁的接觸狀況；研究結果對鍛造壓機及同類預應力機架結構的設計具有一定的參考價值。

機械設計；預應力機架；插入式；立柱；接觸狀態

0 前言

鍛造壓機是機械制造業重要的基礎制造設備之一。隨著大型、特大型鍛壓機需求量的不斷增加，國內外各科研院所及重機制造廠對各種大型壓機開展了研究，如張劍寒等[1]研究了400MN航空模鍛液壓機的機架在各工況下的受力和變形狀況；吳生富等[2]研究了整機架的工作性能及相關接觸面接觸狀況；嚴興春等研究了165MN自由鍛造油壓機組合梁的動態特性，得出了下橫梁的前七階固有頻率和固有振型[3]；楊甲申等[4]分析了大型鍛壓機組合梁不同工況下的應力、變形等，提出了組合梁設計的基本依據；楊固川等[5]改進了800MN模鍛壓機C形板機架結構，分析計算了機架強度、剛度及疲勞壽命等；H.Ou和R.Douglas研究了機架彈性變形對精密模鍛件精度的影響[6][7]。同時，國家在“十一五”期間也投入了大量資源，重點支撐一批鍛壓機的技術攻關研究[8]。陸楊[9]提出了一種可實現自動控制的新型自動鍛壓機擋料機構。

機架是鍛造壓機的核心部件之一，合理設計機架是保證壓機安全可靠工作的前提。目前所使用的壓機其機架大多都采用了立柱平接式結構（圖1），即上下橫梁與立柱（壓套）端面貼合并以十字鍵定位。這種結構抗偏載能力差，通常更適合于壓機僅承受中心載荷或偏載較小的情況。鑒于此，對于偏載較大的大型和超大型壓機目前越來越多地開始使用一種新型的立柱插入式機架結構（圖2），這種機架的立柱（壓套）部分插入上下橫梁。

1 兩種機架的理論模型

1.1 平接式機架

1.2 插入式機架模型

立柱插入式機架也由上橫梁、下橫梁、立柱和拉桿等組成。通過拉桿和緊固螺母將上下橫梁、立柱壓緊，與平接式的差別是，立柱（壓套）部分地插入上下橫梁，從而形成一個近似的剛性框架，這樣立柱可以承受較大的水平載荷。這種結構立柱的受力情況可近似簡化為兩端固定的超靜定梁模型（圖4）。設上下橫梁為剛體且立柱的長度為L，集中力F水平作用于立柱中間位置時，立柱上中間點位置最大彎矩為FL/8，對應撓度為δ=FL3192EI。

比較結果可見，相同條件下，插入式立柱比平接式立柱結構所受彎矩減小了一半且產生的撓度僅為后者的1/4。因此，插入式立柱受載狀況明顯改善。

2 機架有限元模型的建立

通過上述理論分析可以看出，兩種機架立柱的受力、變形存在明顯差異，其原因是理論分析中對平接式結構將梁對立柱端面的約束狀況視為鉸接，而對插入式結構則視為固端約束。為對其進行深入研究，本文運用有限元軟件ABAQUS分別對上述兩種機架立柱的變形、應力及接觸狀況展開系統深入的研究。

為使結果具有可比性，兩種機架的結構盡量保持一致。兩種機架大體對稱，為簡化分析過程，均取1/4模型為研究對象，在模型對稱面上施加相應的對稱約束。在立柱中心位置0.6m2的面上施加12.5MPa的壓強，在上橫梁安裝油缸法蘭的位置及下橫梁工作臺施加41.25MN的作用力（圖5）。

3 兩種結構計算結果對比分析

圖 6（a）、（b）為有限元計算得到的平接式與插入式結構機架的立柱Z向應力云圖（預緊系數為1.15）。由計算結果可知，插入式機架與平接式機架立柱中間相同位置的Z向拉應力分別為33.33MPa和41.45MPa，插入式立柱Z向拉應力相對平接式立柱降低了19.6%，其Z向拉應力相對明顯減小。

如圖7所示，在相同的工況下，δ2為兩種立柱中間位置橫截面的X向位移平均值，δ1、δ3為兩端參考截面的 X 向位移平均值，Δδ1、Δδ2為立柱的相對變形。圖8（a）、（b）分別為平接式與插入式結構機架的立柱的水平橫向變形云圖：插入式立柱的相對變形 Δδ1/Δδ2為4.34968/4.10591mm，平接式立柱的相對變形 Δδ1/Δδ2為5.57715/5.25772mm，插入式機架立柱的相對變形相比降低了22.0%/21.9%。可見，插入式立柱的相對變形相對有較大減小。

圖9（a）、（b）為兩種立柱接觸狀態云圖。平接式機架的立柱端面約1/4面積與橫梁接觸；插入式機架的立柱端面80%以上的面積與橫梁接觸。

由計算結果可知，相同工況下，插入式結構相對于平接式結構，立柱的應力和水平方向變形顯著降低，立柱端面接觸狀況明顯改善。然而，兩種立柱的應力與變形的差值相對于理論值偏小。其原因是：①橫力彎曲時，若抗彎截面系數一定，則截面正應力與對應彎矩成正比，兩種立柱同時承受軸向壓應力，非純橫力彎曲；②上下橫梁假設為理想剛體而不變形，實際上下橫梁會迫使立柱產生反彎變形，且兩種立柱的反向變形大小不同，故立柱彎曲變形大小也不同。

4 結論

本文的研究結果表明：①在相同的預緊系數及工作狀況下，插入式機架的立柱正應力得到顯著改善；②插入式立柱的相對變形有較大幅度減小，即插入式立柱相對剛度增強了；③插入式機架的立柱端面與橫梁的接觸狀態也明顯改善，有利于設備的穩定運行。

[1] 張劍寒，曾 攀，等.400MN航空模鍛液壓機機架有限元分析[J].中大型鍛壓設備和技術研討會，2008：353-356.

[2] 吳生富，聶紹珉，等.大型鍛造液壓機全預緊機架的整體性分析[J].燕山大學學報，2006，30（2）：133-136.

[3] 嚴興春，江桂云，等.165MN自由鍛造油壓機組合梁模態分析[J].鍛壓技術，2009，34（2）：71-73.

[4] 楊甲申，韓炳濤，等.大型鍛壓機組合梁的強度剛度分析[J].重型機械，2007，（3）：32-34.

[5] 楊固川，于 江，等.大型模鍛液壓機機架結構分析研究[J].鍛壓技術，2010，35（3）：109-112.

[6] H.Ou，R.Balendra.Die-elasticity for precision forging aerofoil section using finite element simulation.J.Mater.Process.Technol.76（1998）：56-61.

[7] R.Douglas，D.Kuhlmann.Guidelines for precision hot forging with applications，J.Mater.Process.Technol.98（2000）182-188.

[8] 王勇勤，戴文軍，等.大型鍛壓機預應力結構受力-變形的分析與研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2008，43（5）：29-31.

[9] 陸 楊.可實現自動控制的自動鍛壓機擋料機構[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，（5）：71-72.

[10] 俞新陸.液壓機的設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2007：28-44.

[11] 朱伯欽，周競歐，等.結構力學（第二版）[M].上海：同濟大學出版社，2004：253-258.

[12] 趙騰倫.ABAQUS 6.6在機械工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2007：66-108.

[13] 俞新陸.液壓機現代設計理論[M].北京：機械工業出版社，1987：105-108.

Analysis study of pre-stress frame with inserting vertical column for heavy-duty forging press

WANG Yongqin1,LIU Zhifang1,YAN Xingchun1,HAN Bingtao2,CHENG Xianbiao2,ZHANG Jun2
（1.Mechanical Transmission State Key Lab,Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.China Heavy-Duty Mechanical Research Institute,Xi'an 721000,Shanxi China）

Aiming at the faults of poor anti-horizontal loading capacity and end contact situation of vertical column for common flush joint pre-stress frame,a new kind of pre-stress frame with inserting vertical column has been studied.The analysis method and finite element method have been applied separately to analyze the common and new structures.The stress status,deformation,and end&cross beam contact situation of the two structures under the same conditions have been studied.The results provide reference for the design of same or similar prestress frame structure.

Pre-stress frame;Insert;Vertical column;Contact situation

TG315.5

A

1672－0121（2012）03－0044－03

165MN自由鍛造油壓機（2007BAF02809）；金屬擠壓/鍛造設備與工藝創新能力平臺建設（2011ZX04016-81）

2012-02-09

王勇勤（1961-），男，教授，博士生導師，長期從事冶金機械裝備研究