壓曲機(jī)機(jī)架的有限元優(yōu)化分析

邢耀文

（山西杏花村汾酒集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西汾陽032205）

0 引言

汾酒素以入口綿、落口甜、飲后余香、回味悠長特色而著稱，是中國四大名酒之一［1］。曲塊的好壞在很大程度上直接影響到酒的質(zhì)量和特色，釀出優(yōu)質(zhì)白酒的前提是制出優(yōu)質(zhì)的曲塊。汾酒集團(tuán)最初采用人工方法制曲，人工踩曲所形成的曲塊質(zhì)量較好，但工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、效率較低［2］。隨著國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機(jī)械制曲逐漸代替了人工踩曲，機(jī)械制曲效率高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低［3］。本文以汾酒集團(tuán)大曲廠曲塊生產(chǎn)設(shè)備中所使用的第二代液壓壓曲機(jī)為例，介紹其基本機(jī)構(gòu)及工作原理，并對其機(jī)架底座部分進(jìn)行了有限元優(yōu)化分析。

1 壓曲機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

液壓壓曲機(jī)曲塊壓制部分的總體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其主要包括動(dòng)力部分、機(jī)架底座、機(jī)架上盤、壓曲轉(zhuǎn)盤、龍門架組件、橫梁組件和壓錘組件等。

圖1 液壓旋轉(zhuǎn)壓曲機(jī)壓曲部分結(jié)構(gòu)示意圖

橫梁組件和壓錘組件通過龍門架固定在機(jī)架底座上，曲塊模盒安裝在壓曲轉(zhuǎn)盤上，位于壓錘組件的正下方且與其形成互相配合關(guān)系，以壓制曲塊。

本裝置的動(dòng)力源為液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)帶動(dòng)壓曲轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，曲塊模盒固定于壓曲轉(zhuǎn)盤之上。橫梁兩端分別通過一個(gè)液壓油缸與龍門架相聯(lián)，液壓油缸的伸縮帶動(dòng)橫梁的上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)壓錘組件的上下運(yùn)動(dòng)。八個(gè)曲塊模盒對應(yīng)八個(gè)壓錘組件，曲塊模盒在壓曲轉(zhuǎn)盤上轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)位置，液壓缸運(yùn)動(dòng)一次，帶動(dòng)橫梁和壓錘組件對曲料踩壓一次。曲料從進(jìn)入壓曲模盒到壓制成曲塊共經(jīng)過七次踩壓，最后一次直接將成型的曲塊壓出模盒，掉落到輸出傳送帶上。

2 機(jī)架三維建模

在液壓旋轉(zhuǎn)壓曲機(jī)中，機(jī)架底座是主要的承載部件，其強(qiáng)度和變形直接影響設(shè)備的可靠和產(chǎn)品的矯平精度［4］，因此，有必要對機(jī)架底座進(jìn)行三維建模并進(jìn)行有限元分析研究。在壓曲機(jī)中，機(jī)架下與地面固定連接，上則承受壓曲主機(jī)的所有重量，機(jī)架主要采用矩形空心型鋼焊接而成，并在與地面相連接的位置處焊接有帶有螺紋孔的鋼板。對機(jī)架底座在SolidWorks中進(jìn)行三維建模，模型如圖2所示。

圖2 機(jī)架底座三維模型

3 有限元優(yōu)化分析

3.1 網(wǎng)格劃分

在Engineering Data中定義機(jī)架底座的材料屬性，選用工程數(shù)據(jù)材料庫中的結(jié)構(gòu)鋼。導(dǎo)入在SolidWorks中建立好的機(jī)架底座三維實(shí)體模型后，將材料屬性賦予機(jī)架。網(wǎng)格劃分是有限元前處理中的主要工作，也是整個(gè)有限元分析的關(guān)鍵工作，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和優(yōu)劣將對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生相當(dāng)大的影響［5］。本文中采用默認(rèn)方式對機(jī)架底座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的機(jī)架底座具有56 944個(gè)節(jié)點(diǎn)，8 152個(gè)單元，機(jī)架底座的有限元模型如圖3所示。

3.2 有限元分析

機(jī)架底座主要承受機(jī)架上盤、壓曲轉(zhuǎn)盤、龍門架組件、橫梁組件、壓錘組件以及在踩壓過程中壓力系統(tǒng)的下壓力，通過估算得出，機(jī)架底座所承受總的壓力約為70 000 N。機(jī)架底座上面受壓，下面通過10個(gè)地腳板與地面連接。因此，設(shè)置時(shí)約束10個(gè)地腳板，并且對機(jī)架上面添加均布載荷。進(jìn)行計(jì)算求解，最終得出機(jī)架的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和總變形云圖，分別如圖4～圖6所示。

圖3 機(jī)架有限元模型

圖4 等效應(yīng)力云圖

圖5等效應(yīng)變云圖

圖6 總變形云圖

結(jié)果顯示，機(jī)架的最大等效應(yīng)力為183.4 MPa，發(fā)生在邊角處；最大等效應(yīng)變?yōu)?.2×10-4，同樣發(fā)生在邊角處；最大變形量為0.94 mm，發(fā)生在型鋼中間處。由此可見，機(jī)架的最大等效應(yīng)力和最大變形量都較小，但其最大等效應(yīng)力接近結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度（這里以Q235為例，其屈服強(qiáng)度為185 MPa），因此，有必要對此機(jī)架底座進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以保證使用過程中的安全。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過以上對機(jī)架底座的應(yīng)力和應(yīng)變的分析，找出機(jī)架底座結(jié)構(gòu)中的薄弱部位［6］，在保證機(jī)架性能的前提下，不改變整體形狀的同時(shí)盡可能的使機(jī)架質(zhì)量不要過大。優(yōu)化后的機(jī)架模型如圖7所示，在等效應(yīng)力及等效應(yīng)變最大的邊角處適當(dāng)?shù)募由辖菗伟濉?/p>

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的機(jī)架底座模型圖

同樣，在ANSYS Workbench中對優(yōu)化后的機(jī)架底座劃分網(wǎng)格，然后施加相同的約束和載荷，即10個(gè)地腳板地面為固定約束，機(jī)架上承受均布載荷。然后進(jìn)行計(jì)算求解，最終得出優(yōu)化后機(jī)架的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和總變形云圖，分別如圖8～圖10所示。

圖8 優(yōu)化后機(jī)架的等效應(yīng)力云圖

圖9 優(yōu)化后機(jī)架的等效應(yīng)變云圖

圖10 優(yōu)化后機(jī)架的總變形云圖

結(jié)果顯示，機(jī)架的最大等效應(yīng)力為116.82 MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.8×10-4，最大變形量為0.57 mm。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的機(jī)架底座總體性能有了大幅度的提高，其安全性可靠性更強(qiáng)。

4 結(jié)論

通過SolidWorks對液壓旋轉(zhuǎn)壓曲機(jī)機(jī)架底座進(jìn)行三維建模并運(yùn)用ANSYS Workbench對機(jī)架底座進(jìn)行有限元分析，在有限元分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的機(jī)架底座總體性能有了大幅度的提高，不但滿足工程使用需求，而且提高了機(jī)架底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高了其工作的安全可靠性，并為機(jī)架的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

［1］ 閻恩俊.山西汾酒發(fā)展史上的一件珍貴史料［J］.史海揭秘.，22（1）：44-45.

［2］ 付捷，崔勇，羅鋼，等.新型酒廠曲塊粉碎除塵成套設(shè)備研制［J］.釀酒科技，2008（7）：47-49.

［3］ 韓建華，寇子明.曲料輸送系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2009，24（2）：37-39.

［4］ 王琳，王靜，盛步云.七輥矯正機(jī)機(jī)架的有限元分析與優(yōu)化［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2012，34（1）：34-37.

［5］ 郭威.帶式輸送機(jī)卸載架有限元分析［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2013（3）：122-124.

［6］ 王耀.液壓擺式剪板機(jī)機(jī)架有限元分析［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.