基于有限元的重型雙柱立車橫梁結構分析

邢明德，吳小露

（齊齊哈爾二機床集團有限責任公司 技術中心設計研究院，黑龍江齊齊哈爾 161005）

1 引言

在重型立車結構中，橫梁是關鍵部件，直接決定機床整體加工性能，其內部筋板結構布置對機床結構剛度、結構穩定性及抗振性具有重要影響。本文以最大加工直徑為6300mm 重型立車橫梁為研究對象，從橫梁加載刀架后靜剛度和增加卸荷裝置等方面分析橫梁導軌變形情況，為大跨度橫梁設計及預先橫梁導軌撓度加工提供充分理論依據。

2 橫梁有限元模型建立

重型立車橫梁部件主要由橫梁、刀架滑枕、橫梁滑座等部分組成，橫梁整體采用焊接結構，焊接后時效處理，導軌等關鍵部分材料采用45 鋼增加其剛性，內部筋板材料采用Q235A，內部采用十字筋板及交叉斜筋板焊接結構，筋板為中心開方孔結構，減少重量并且增加其強度及抗振性。橫梁總長95500mm，最大寬度1000mm，筋板厚度25mm，導軌厚度80mm，卸荷導軌及卸荷輥子位于橫梁上側，如圖1 所示。

橫梁總重量為18462kg，45 鋼彈性模量為2×105MPa，密度7850kg/m3，泊 松 比0.29，Q235A 彈 性 模量為2.1×105MPa，密度7800kg/m3，整體采用ANSYS Workbench智能網格劃分，導軌采用局部網格細化方式，橫梁網格模型如圖2 所示。

圖1 橫梁主、副導軌和卸荷機構結構圖

3 橫梁靜力學分析

圖2 橫梁網格劃分模型

橫梁靜態分析過程中主要受到3個力的作用：分別是橫梁自身重力、橫梁滑座壓力、刀架滑枕壓力。為了便于計算刀架滑枕及橫梁滑座的作用力，分別以質點形式加載到橫梁導軌上，本文從兩方面入手：（1）橫梁加載刀架后導軌變形情況；（2）橫梁導軌增加卸荷裝置后導軌變形情況。

3.1 滑座刀架作用在橫梁上時加載邊界條件

橫梁兩側與立柱相結合部位設置為固定接觸，滑座刀架位于橫梁中心位置時是變形量最大位置。滑座刀架裝配體重力以質點形式加載在導軌上，ANSYS中設置加載力為Remote Force，大小為71300N。加載情況如圖3 所示。

圖3 應力加載位置圖

經ANSYS 運算后得出橫梁總變形云圖，如圖4 所示。從圖中可以看出最大變形發生在主導軌位置，最大變形為0.13467mm，這已超出了國家標準0.02mm/m 所要求的范圍。采用預先橫梁導軌撓度加工，加工撓度也不會達到0.1mm/m，因此采用預先橫梁導軌撓度加工后變形量也會超過0.034mm，未滿足設計要求。

圖4 加載滑座刀架后橫梁總應變云圖

3.2 加載卸荷裝置時橫梁加載邊界條件

此時設置固定位置、滑座刀架重力加載與圖3 相同，唯一不同之處是卸荷輥子力加載在橫梁上側卸荷導軌上，如圖5 所示。

圖5 增加卸荷輥子應力加載位置圖

計算結果經ANSYS 運算后得出加載卸荷裝置橫梁總變形云圖如圖6 所示。從圖中可以看出，最大變形量為0.077055mm，與圖4 相對比變形量減小近一半，可以看出增加卸荷裝置后作用力一部分被分配到卸荷導軌上去，減小了主導軌壓力，在采用預先橫梁導軌撓度加工后，完全可以達到國家標準0.02mm/m。

圖6 加載滑卸荷裝置后橫梁總應變云圖

4 結論

以橫梁為研究的對象，從有限元理論方面進行分析，增加卸荷裝置后減小主導軌壓力，從而控制導軌變形量，以應用理論計算來指導加工工藝。

［1］羅傳林，李鍛能.龍門式機床橫梁的結構設計研究［J］.機電工程技術，2006（3）：18-21.

［2］主岳東，張志軍.基于動力學特性的車銑機床橫梁的優化設計［J］.沈陽工業大學學報，2004（4）：5-8.

［3］鄭佳明.高架橋式高速五坐標龍門加工中心動力學仿真研究［D］.南京：東南大學，2006.