大型臥式金屬擠壓機結構設計的解析研究

王勇勤，張 飛，嚴興春，韓炳濤，張 君，房志遠

(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股份公司，陜西 西安 721000)

0 前言

金屬擠壓成型是利用金屬塑性成形原理進行壓力加工的一種優質、高效、低消耗的少無切屑加工工藝。在機械、輕工、航天航空等制造領域得到越來越廣泛的應用。從某種意義上說，擠壓技術的發展程度是衡量一個國家制造業，甚至工業現代化水平高低的一個重要標志。金屬擠壓機作為實現金屬擠壓加工的最主要設備，工作時的安全性和可靠性顯得十分重要。

近年來，技術人員對金屬擠壓機的研究十分活躍，儲伯溫［1］系統地介紹了世界范圍內鋁擠壓技術與設備的最新進展，闡述了我國鋁擠壓設備的現狀及其與國外先進水平的差距;張海軍［2］介紹了國內外臥式擠壓生產工藝技術及生產裝備的發展歷程;王勇［3］利用有限元軟件MSC.Marc建立了36MN鎂擠壓機扁擠壓筒三維有限元模型，同時考慮溫度影響，獲得了裝配和工作狀態下扁擠壓筒應力場;石如磐［4］利用MSC.Marc對預緊和工作載荷下擠壓機機架進行受力變形分析，得到了機架變形云圖和壓柱變形規律;蔣士博［5］就某廠31.5 MN擠壓機前后橫梁移位的情況，通過空氣動力學分析和計算，找出了前后橫梁移位的原因并提出了解決方案;楊國義［6］采用自制的、具有鎖緊裝置的液壓頂緊裝置將16 000 kN臥式雙動擠壓機活動橫梁復位后，在裂縫上面、下面和側面分別采用二氧化碳氣體保護焊和直流弧焊的方法進行焊接修理了活動橫梁;辜武全［7］簡要闡述了小型四柱液壓機橫梁的設計思想。

就目前研究現狀來看，關于金屬擠壓機前、后梁的結構設計的解析研究較少。這在一定程度上影響了快速而比較準確地進行擠壓機前、后梁方案的初步設計，從而導致了大多數情況下基本上都采用類比性的設計。本文介紹了典型金屬擠壓機的結構特點，將前、后梁、拉桿和立柱聯成一體進行分析與建模，以有限元計算結果作為對比驗證的依據并計算設計修正系數，最終得到擠壓機主結構參數設計的依據。

1 大型臥式金屬擠壓機典型結構特點

大型臥式金屬擠壓機通常采用三梁 (前梁、后梁和動梁)四柱式結構。250 MN臥式金屬擠壓機主框架結構如圖1所示，前后梁內部采用箱型結構，設計時盡可能采用等強度理論，充分考慮材料的利用率，即:使設備既滿足強度和剛度要求，又不浪費材料，符合輕量化設計思想。

圖1 250 MN臥式金屬擠壓機主框架結構Fig.1 Main framework structure of 250MN horizontal metal extrusion press

在臥式金屬擠壓機的結構設計過程中會遇到很多問題，如為了能夠承受極限工作壓力載荷，最初應該如何設計前梁和后梁高度H1、H2等尺寸，前后梁內部筋板應該如何布置及其尺寸取多少合適等問題的順利解決與否直接關系到設計周期的長短。目前，設備設計和分析的研究主要集中在有限元校核和改進方面，主結構解析設計研究很少，為了解決這個問題，本文擬將建立描述前、后梁的強度解析模型，為初定大型臥式金屬擠壓機尺寸提供參考。

2 大型臥式金屬擠壓機主結構建模

前、后梁的箱體筋板布局結構增加了設計計算的難度，為了簡化分析，將前、后梁沿著具有特殊特性的截面截開 (如圖1所示)，各個截面的慣性矩不同，由前梁、后梁、立柱和拉桿通過預緊組合成一體的結構簡化成一個變截面框架，為了提高計算的準確性，可以盡可能多分段。

圖2 框架結構等效模型Fig.2 Equivalent model of frame structure

為了計算上下梁上的最大應力，可以將整個框架進一步簡化為一個封閉剛性受力框架，如圖3所示，將O、T、G三點轉換為鉸支點，并引入兩個未知內力矩x1、x2。

x1、x2的值由正則方程確定。

圖3 等效封閉剛性受力框架Fig.3 Equivalent close rigidity stress frame

其中正則方程的六個系數按照維利沙金法則確定:

將這六個系數帶入正則方程，計算出x1和x2為

3 計算結果分析

250 MN臥式金屬擠壓機的設備及力能參數見表1，將其帶入式 (1)～式 (7)得x1=+1.9203×109，x2= －7.8938×1010。

表1 250 MN擠壓機各參數的數值Tab.1 Parameters of 250 MN horizontal metal extrusion press

根據前、后梁框架的受力及內力矩x1、x2的大小，分別畫出前、后梁的彎矩圖，如圖4所示。根據彎曲應力公式計算變截面梁上各處應力，如圖5所示，上下梁應力最大處都在上下梁的中間部位，上梁的最大應力為44.4 MPa，下梁的最大應力為26.1 MPa，將解析方法算出來的最大應力與有限元算出來的結果進行對比，即可確定修正系數K的值，如表2所示;此外，按照同樣的方法，表2中還列出了225 MN、125 MN兩種大型金屬擠壓機長度方向及寬度方向的解析及有限元計算結果。

由表2三種型號的擠壓機結果比較可知，前梁的應力修正系數范圍為1.5～3，后梁的應力修正系數為2～3.5(225 MN前梁應力修正系數達到4.73，這是由于邊缸壓迫上面板，在上面板形成的局部較大的拉應力所致)。

圖4 前后梁彎矩圖Fig.4 Equivalent close rigidity stress frame

圖5 前后梁應力圖Fig.5 Equivalent close rigidity stress frame

表2 三種擠壓機機架前后梁單向拉應力比較Tab.2 One-way pulling stress of front and rear platens on three extrusion press frameworks

4 結論

本文將大型臥式金屬擠壓機前梁、后梁、拉桿和立柱組成框架結構，通過建立正則方程聯立求解等效封閉變截面受力框架附加彎矩及彎矩分布，以有限元計算結果為參考進行修正前、后梁的解析模型，前梁的應力修正系數范圍為1.5～3，后梁的應力修正系數為2～3.5。依據這一結論，在同類擠壓機的方案設計時，便可以利用解析法快速且比較準確地確定上下梁的主要結構參數。同時也為擠壓機的參數化設計奠定理論基礎。在上述研究的基礎上作者編制了大型金屬擠壓機參數化設計平臺，利用此平臺可以實現擠壓機結構的快速設計，為企業在擠壓機的方案設計、快速報價等方面提供了有力的技術支撐。

［1］儲伯溫，權曉惠，陳世雄.鋁擠壓機的技術進展［J］.有色金屬加工，2002，31(4):25－32.

［2］張海軍，姜素云.鋼管臥式擠壓生產技術和裝備的發展 ［J］.鋼管，2011(2):39－44.

［3］王勇，王麗薇，石如磐，等.36 MN鎂擠壓機扁擠壓筒設計 ［J］.鍛壓技術，2011，36(10):163－165.

［4］石如磐，王勇，王麗薇.36 MN預應力結構擠壓機機架變形分析 ［J］.鍛壓技術，2011，36(4):100－103.

［5］蔣士博，劉旭，劉捷.3 150 T擠壓機前后橫梁移位事故分析及改進 ［J］.冶金設備，2010(1):58－60.

［6］楊國義.16 000 kN臥式雙動擠壓機活動橫梁修理［J］.鍛壓技術，2010(1).

［7］辜武全.1 500 kN四柱液壓機橫梁的設計 ［A］.第四屆十三省區市機械工程學會科技論壇暨2008海南機械科技論壇，2008:682－685.