80MN快鍛液壓機結構動態特性分析

吳青萍

(山西省機械電子工業聯合會，山西太原030001)

0 引 言

鍛造生產在國民經濟中占有舉足輕重的地位，被譽為“工業之父”。業內往往將一個國家的鍛造生產能力看做這個國家工業發展水平的重要指標。在工業現代化的今天，鍛造工藝小到可以加工金銀首飾的材料，大到可以加工航空、海洋船舶的材料，鍛造是機械制造領域不可或缺的一部分。今天，中國的黑色金屬產量、有色金屬產量雙雙達到了世界第一，對鋼、鋁、鎂、鈦等金屬的壓力加工有增無減。鍛造生產能力在未來的相當一段時間內，仍將會是工業現代化發展程度的重要標志，而且在國家工業發展的過程中鍛造將會起著越來越重要的作用。

比較國內外自由鍛造液壓機的發展現狀，可以看到一些問題［1-4］:一方面，我國大型自由鍛造液壓機多采用三梁四柱的傳統結構，雖然可靠性有保障，但結構笨重，浪費材料，加工功能單一，并且鍛造工藝水平落后。由于我國大型鍛造液壓機大多是上世紀90年代的產品，設備老化嚴重。而隨著經濟發展、能源緊張、環保等問題，經濟發展格局的變化，特別是核電、太陽能、風能等無污染化新型能源的重點開發，以及超大型運輸船、大型艦艇、航空母艦軍事工業的發展，使得大型鍛件的質量要求越來越高，生產節能要求越來越高。研發適合生產需求的鍛造液壓機勢在必行。另一方面，國外發達國家在大型自由鍛造液壓機的設計方面已經積累了豐富的經驗，為研發大型的自由鍛造液壓機設計出了一套現代化的科學方法，對大型鍛造液壓機進行優化設計、可靠性設計，使其結構合理、尺寸更加輕巧。由于設計方法的落后，國內廠商很難在市場上與發達國家的同類型產品進行競爭，國內大于40MN油泵直接傳動快速鍛造機市場幾乎被國外公司壟斷，如何設計出符合強度、剛度要求、結構合理、重量較輕的壓力設備，抓住市場發展機遇，是我國現代液壓機設計人員需要解決的問題。

為適應鍛造車間裝備現代化和生產經濟性要求，太原重工股份有限公司研制了國內首臺80MN油泵直接傳動雙柱式預應力結構快速鍛造液壓機，其最大鍛造頻次高達75 min－1，通過提高鍛造速度，提高毛坯加工效率和擴大零件加工范圍［5］。該液壓機首次在中國特大型鍛造壓機上開發雙柱斜置式預應力組合機架結構和油泵直接傳動系統。傳統的鍛造液壓機的主導機型一直是三梁四柱式結構，而斜置式的雙柱預應力結構由兩個堅固的長方形空心立柱作為機架，拉桿從立柱中穿過，通過預緊螺母將上橫梁、立柱和下橫梁緊固成一個預應力組合機架，在橫梁和立柱的結合面上用鍵定位，上、下橫梁開檔內側之間不用再設置螺母。該結構的特點是［6］:機身剛度高、導向精度高、鍛造速度快、立柱抗疲勞能力強。由于該快速鍛造液壓機在工作時，經常需承受多次快速反復加載及在卸載時能量的突然釋放，這些都會引起機身的劇烈振動，若這種振動過大，將會嚴重影響快鍛液壓機的正常工作，甚至導致無法工作或嚴重事故，因此，十分有必要對液壓機整體結構進行動力學響應分析［7-8］。

鑒于此，本研究將基于ANSYS軟件的動力學分析理論對該快鍛液壓機結構進行動力學響應分析，以研究其在墩粗工況下的動態特性。

1 80MN快鍛液壓機結構有限元建模與求解設置

該快鍛液壓機結構簡化后的實體模型如圖1所示。

圖1 80MN快鍛液壓機結構簡化后的實體模型

根據對該快鍛液壓機結構靜態特性分析［9］，發現其活動橫梁與立柱的接觸主要發生在立柱的內側，且考慮到動力學分析需要占用的計算機資源非常大，因此在建立動力學分析的有限元模型時簡化了活動橫梁裝配，并將導向架忽略?；顒訖M梁與立柱接觸結合部x方向耦合連接，活動橫梁底面覆蓋一層目標單元，鍛件頂面覆蓋一層接觸單元，形成接觸對。活動橫梁的油缸柱塞安裝面z方向上位移非常小，因此，此面上的節點施加z向約束。活動橫梁的初始速度設置為15 mm/s，加速度設置為537 mm/s2，加速度的加載方式為階梯加載，并考慮結構預緊力對結構分析的影響。

該液壓機結構的動力學有限元分析模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2 計算結果分析

對于該快速鍛造液壓機結構動力響應問題，由于響應的過程和持續的時間都較長，從物理上來說都希望取較大的時間步長，以達到減少計算的目的。該模型有限元分析采用無條件穩定的隱式算法，雖然時間步長Δt的大小不影響求解的穩定性，但會影響求解的精度，所以實際的計算步長必受限制，計算過程中開啟自動時間步長追蹤。

2.1 以力的方式加載的分析

動力學分析時，由于簡化了地腳螺栓的三維特征，并且活動橫梁對立柱的影響稍有差別，在這些部位的應力和應變肯定不同，但根據圣惟南定理，在邊界條件相同的情況下，遠離剛度突變的位置，應力變化不大。因此，本研究選擇上橫梁來觀察靜力分析和動力學分析下的應力、應變變化。

橫梁動態位移分布如圖3所示。

圖3 上橫梁動態位移分布云圖

從圖3可以看出，上橫梁的位移分布基本保持一致，最大位移均發生在上橫梁的上端兩角處，動力學分析的最大位移值為3．769 mm，是其最大靜態位移值(限于篇幅這里沒有給出靜態分析及其結果)的約1．949倍。由此可見，在相同大小的工作載荷中，液壓機快速鍛造工作時的工作應力比慢速工作時大得多。

動力學分析主要是研究液壓機各部分位移隨時間的響應，因此，簡化了液壓機的很多設計細節并且將網格劃分加大了很多，設計的細節和網格的大小影響液壓機的應力云圖分布，應力分布的誤差較大，而對位移分布的影響較小，因此，不再分析其應力的分布云圖，而分析液壓機各部分的位移響應。

液壓機結構各部分的位移測試點的設置如圖4所示。其中，立柱上的測試點間隔距離為1 m，液壓機的主要載荷加載在豎直方向－y方向上。因此，先來分析y方向上的結構位移響應。

1點位置的y向位移如圖5所示。加速度曲線如圖6所示。從圖5、圖6可以看出，1點位置的最大位移值約為6．1 mm，最小位移值約為0．4 mm，穩定狀態的平均位移值約為3．4 mm，最小位移值為0．8 mm。節點經歷過短暫的初始響應后開始穩定振動，1點位置的初始加速度值為537 mm/s2，活動橫梁下的砧板與鍛件開始發生接觸，1點的加速度值由于接觸阻力先急劇下降后因變形阻力緩慢下降。最大加速度值為537 mm/s2，最小加速度值為0 mm/s2，穩定狀態時的最大加速度值約為245 mm/s2。

圖4 液壓機結構的位移測試點

圖5 1點y向位移圖

圖6 1點y向加速度圖

2點位置處的位移響應和加速度響應分別如圖7、圖8所示。3點位置處的位置響應和加速度響應分別如圖9、圖10所示。可以看出2點位置和3點位置的位移響應和加速度響應與1點情況一致，只是初始加速度的響應時間依次減慢。其中1點的加速度值是先急減后緩減，2點的加速度值是先急增后急減，3點的加速度值是先急増到一個較小的值，后緩減。

圖7 2點y向位移圖

圖8 2點y向加速度圖

圖9 3點y向位移圖

圖10 3點y向加速度圖

1、2、3點位置分別位于砧板、墊板和工作臺。4點的位置在上橫梁筋板下端上。4點位置的位移和加速度圖如圖11、圖12所示。4點位置的位移先從0開始慢慢增加到0．3，然后快速地增加到2，最后開始穩定振動。出現這樣的情況是因為上橫梁的載荷加載在油缸法蘭環面上，剛開始加載時由于油缸孔的變形，4點位置的位移延遲于加載位置的位移，在經歷過變形的過程后，4點位置的位移也開始發生變化，直至振動穩定。4點位置加速度先從 －537 mm/s2跳至900 mm/s2，然后激降至－100 mm/s2，最后開始穩態振動。出現這種情況是因為上橫梁突然受載，由于上橫梁的剛度較大，變形產生了較大的回復力，使得加速度又跳至相反方向的最大加速度。在經歷過短暫的震蕩后，加速度降至一個較小值，直至穩定振動。值比較1、2、3點位置處的加速度，可以發現4點位置處的加速度值變化頻率要快的多，這應該是由于上橫梁與立柱是耦合連接，使得上橫梁的結構剛度要大。

圖11 4點y向位移圖

圖12 4點y向加速度圖

以上分析主要為y方向上的位移響應，立柱的位移響應主要在x方向上，為了分析立柱在x方向上的位移響應，本研究在立柱的內側中心線上隔1 m設置一個測試點。立柱測試點的x方向位移響應值如表1所示。從表1中可以看出立柱兩端的初始位移值小，中間的位移值大。立柱整個響應過程中最大的位移值分布趨勢和初始位移一致，而穩定振動時立柱的平均位移值變化很小，這進一步說明了液壓機整個位移分布中，立柱的變形位移最小。

通過對5、10、15點的速度和加速度分析發現，5、15點的加速度變化幅度較小，10點的加速度變化幅度很大，這說明了立柱兩端位置的結構位移比中間的小。5、15點位置的速度變化幅度較小，10點的速度變化幅度很大。其中10點位置的最大速度為0．2 mm/s，最小速度為－0．16 mm/s。10點位置的速度呈鋸齒狀，這說明了立柱的中間x方向的剛度較小，結構的變形較大。

2.2 以位移的方式加載的分析

ANSYS軟件載荷加載的方式包括位移載荷，模擬材料成形的仿真一般采用位移載荷的方式加載。以位移的方式加載可以節省計算時間和計算機資源，但一般情況活動橫梁的位移并不事先知道，因此先以力的方式加載，計算出活動橫梁的移動位移，再通過得到的位移載荷值加載，模擬出液壓機的材料成形過程。液壓機材料成形最后一步的變形和應力分布云圖如圖13所示。從圖13中可以看出，液壓機的最大位移值為6．201 mm，最大位移出現在活動橫梁豎直方向。液壓機的最大應力值為1 310 MPa，最小應力值為0．187 MPa。最大應力出現在螺栓安裝位置的應力集中處。

表1 立柱各測試點的位移值

圖13 液壓機位移和應力分布云圖

3 結束語

本研究首先建立了快速鍛造液壓機結構的動力學分析有限元模型，進而以力和位移兩種方式加載對其進行了動態響應分析，獲得了液壓機結構的各位移測試點的位移、速度和加速度以及液壓機在動態載荷下的應力和位移分布云圖，基本模擬了液壓機材料成形工作過程。通過液壓機結構各位移測試點的位移、速度和加速度及動應力分布計算結果的分析，發現立柱中間x方向的剛度較小，結構的變形較大;結構動態最大位移值約為最大靜態位移值的2倍，結構在動態載荷下的應力也約為靜態下的2倍，這是快速鍛造液壓機結構設計時必須要考慮的，也就是要進行動態設計。同時，通過對液壓機結構整體的動態位移響應分析，本研究還發現了結構剛度薄弱環節，這可為在設計過程中更加合理地布置結構剛度提供理論依據。

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