70MN液壓機(jī)橫梁機(jī)加工翻身用吊耳設(shè)計研究

王令寶，裴家路，胡俊煒

（北方重工集團(tuán)有限公司 壓延設(shè)備分公司，遼寧 沈陽 110141）

70MN液壓機(jī)橫梁機(jī)加工翻身用吊耳設(shè)計研究

王令寶，裴家路，胡俊煒

（北方重工集團(tuán)有限公司 壓延設(shè)備分公司，遼寧 沈陽 110141）

針對70MN液壓機(jī)三大梁鋼板焊接加工特點，通過類比法開發(fā)設(shè)計了用于機(jī)加工翻身用吊耳裝置，并通過理論分析和有限元仿真計算，對其設(shè)計強度進(jìn)行校核驗證，最終滿足設(shè)計使用要求。

液壓機(jī)；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；吊耳

液壓機(jī)是一種以液體為工作介質(zhì)來傳遞能量以實現(xiàn)各種工藝的設(shè)備[1]。液壓機(jī)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)的許多領(lǐng)域，包括自由鍛造、模鍛、沖壓等[2]。

北方重工集團(tuán)有限公司是國內(nèi)設(shè)計制造大型壓機(jī)的主要廠家之一。此次設(shè)計開發(fā)的70MN葉片專用液壓機(jī)主要應(yīng)用于大型葉片的熱模壓制成型，本設(shè)備制品具有葉片尺寸大、成型工作行程長、葉片模壓成型溫度高、成型保壓時間長等特點[3]。為滿足大型葉片壓制需要，該設(shè)備立柱中心距設(shè)計為6400mm×4000mm，移動工作臺尺寸達(dá)到6000mm× 5000mm。

該壓機(jī)采用三梁四柱結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計人員根據(jù)以往經(jīng)驗，在吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將壓機(jī)三大橫梁由原鑄造結(jié)構(gòu)改為鋼板焊接結(jié)構(gòu)[4]。雖然經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計，三大橫梁單件重量依然很大，其中上橫梁重量達(dá)162t，活動橫梁重量達(dá)120t，下橫梁重量達(dá)235t，給該件的加工制造帶來極大困難。尤其是上、下橫梁在加工過程中需要兩次翻身裝卡，而原設(shè)計時未考慮機(jī)加工過程中需要吊裝，只設(shè)計了用于安裝用起吊吊耳，該吊耳無法實現(xiàn)工件翻身。為此，技術(shù)人員根據(jù)工件實際情況，研發(fā)設(shè)計了用于機(jī)加工翻身用起吊吊耳。

1 吊耳設(shè)計

以往北方重工設(shè)計的橫梁均為鑄造結(jié)構(gòu)，橫梁吊耳多為直接鑄造成形，或利用鑄造件清砂孔實現(xiàn)調(diào)運、加工等工序。本次設(shè)計中為了降低重量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，將三大橫梁改為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由于設(shè)計時未考慮加工翻身吊裝問題，使原設(shè)計吊耳無法滿足現(xiàn)場加工工藝要求。而目前通用的吊裝推薦吊耳中最大起吊吊耳為75t，因此也未有現(xiàn)成吊耳可以選用，只有自行摸索。經(jīng)過技術(shù)人員多方努力，最終在參考一件法國某公司重300t的焊接件吊耳情況下，經(jīng)過多次優(yōu)化計算，最終完成吊耳設(shè)計方案，并形成圖紙，吊耳鋼板材料均為16Mn[5]。

圖1 下橫梁翻身用吊耳位置及吊耳尺寸圖

2 校核驗證

2.1 理論分析

對于三大橫梁翻身用吊耳設(shè)計，首先對其進(jìn)行理論分析。

如圖2所示橫梁受力分析圖，由于壓機(jī)為對稱結(jié)構(gòu)，因此重心在壓機(jī)重心線上，即G位于中心線上。

對圖2a壓機(jī)橫梁支點取力矩平衡：

圖2 橫梁受力分析簡圖

（1）上橫梁繩索受力計算

上橫梁重量G=165t（實際重量162t，安全起見按165t計算）。取H=4700mm，由公式Ⅱ計算得φ=43°，由公式Ⅰ計算得每根繩索拉力P=44.3t。

為保證安全，取每根繩索拉力為P= 1.2×44.3≈53t，即單個吊耳受力53t。

（2）活動橫梁繩索受力計算

活動橫梁重量G=125t（實際重量120t，安全起見按125t計算）。取H=2100mm，由公式Ⅱ計算得φ=20°，由公式Ⅰ計算得每根繩索拉力P= 31.7t。

為保證安全，取每根繩索拉力為P=1.2× 31.7≈38t，即單個吊耳受力38t。

（3）下橫梁繩索受力計算

橫梁重量G=240t（實際重量 235t，安全起見按240t計算）。取H=4000mm，由公式Ⅱ計算得φ= 37°，由公式Ⅰ計算得每根繩索拉力P=62.7t。

為保證安全，取每根繩索拉力為P=1.2×62.7= 75t，即單個吊耳受力75t。

由上述分析可知，下橫梁的吊耳受力最大。為保證安全，下橫梁每個吊耳受力取750kN。

在上橫梁和活動橫梁中，上橫梁受力最大。上橫梁和活動橫梁吊耳形式一致，故按上橫梁最大受力進(jìn)行有限元計算，假設(shè)最大受力為650kN（實際受力為530kN，這樣計算更安全）。

2.2 有限元校核計算

2.2.1 下橫梁吊耳有限元分析

下橫梁吊耳布置圖如圖3所示。加載條件：卸扣垂直向上拉力為750kN（實際受力62.7t），有限元計算模型如圖4所示，吊耳孔直徑覬125mm，卸扣軸直徑覬120mm，吊耳材質(zhì)16Mn，其屈服強度σs≥340MPa，所有尺寸按施工圖建立模型。考慮吊耳使用條件為非經(jīng)常使用，一般使用次數(shù)不超過 10次，安全系數(shù)可取1.3。吊耳一般破壞為焊口斷裂，因此各處焊口處的拉應(yīng)力最為關(guān)鍵，吊耳拉應(yīng)力區(qū)許用應(yīng)力為180MPa。圖 5為下橫梁吊耳有限元計算應(yīng)力云圖，通過有限元分析結(jié)果可知，吊耳孔與卸扣軸接觸區(qū)域壓力較高，達(dá)到 230MPa，但該區(qū)域為壓應(yīng)力區(qū)，不會產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，故不會影響使用。吊耳其他部分應(yīng)力較低，小于100MPa，吊耳除吊耳孔與卸扣軸接觸區(qū)域外，均處于安全范圍。

圖3 下橫梁吊耳布置圖

圖4 吊耳三維簡圖

圖5 下橫梁吊耳有限元計算應(yīng)力云圖

（2）上橫梁（動梁）吊耳有限元分析

上橫梁吊耳位置圖如圖6所示。加載條件：卸扣垂直向上拉力為 650kN（實際受力53t）。因此，實際應(yīng)力值低于本分析結(jié)果。有限元計算模型如圖7所示，吊耳孔直徑覬125mm，卸扣軸直徑覬120mm，所有尺寸按施工圖建立模型。

圖6 上橫梁吊耳位置圖

圖7 吊耳三維模型圖

由圖8有限元分析結(jié)果可見，吊耳孔與卸扣軸接觸區(qū)域壓力較高，達(dá)到340MPa，但該區(qū)域為壓應(yīng)力區(qū)，不會產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，故不會影響使用。吊耳其他部分應(yīng)力較低，小于140MPa。吊耳材料均為16Mn鋼板，其屈服強度為340MPa，拉伸強度為500MPa，吊耳除吊耳孔與卸扣軸接觸區(qū)域外，均處于安全范圍。

圖8 吊耳有限元應(yīng)力云圖

3 實物驗證及結(jié)論

經(jīng)過前期多次計算分析、論證，最終形成設(shè)計圖紙。由于采用了加工翻身用工藝吊耳的設(shè)計結(jié)構(gòu)，大大縮短了三大橫梁的加工周期，杜絕了因加工翻身吊運帶來的安全風(fēng)險。經(jīng)現(xiàn)場實際檢驗，方便實用，安全可靠。如圖9、10所示。

圖9 下橫梁實物及吊耳

圖10 機(jī)加工現(xiàn)場吊運翻身

[1] 姚保森.我國鍛造液壓機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（3）.

[2]劉振堂.我國鍛造機(jī)械行業(yè)現(xiàn)狀概況[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（4）.

[3]俞新路.液壓機(jī)現(xiàn)代設(shè)計理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[4]楊秀萍，宗升發(fā).液壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的有限元法[J].重型機(jī)械，2003，（6）.

[5]武建宏.直立設(shè)備版式吊耳強度計算[J].石油化工設(shè)備，2004，（7）.

Study on the design of lifting lug for turning during three beams machining process of 70MN hydraulic press

WANG Lingbao，PEI Jialu，HU Junwei
（Steel Rolling Mill and Forging Press Equipment Branch,NHI Group,Shengyang 110141,Liaoning China）

Aiming at the characteristics during welding process of three beam steel plate in 70MNhydraulic press,the device of lifting lug for turning during machining process has been developed and designed by use of analogy method.Throughtheoretical analysis andfinite element simulation calculation,the design strength has been checked and verified.Finally,it can satisfy the turning work during machining process.

Forging Press；Finite element analysis；Structural optimized design；Lifting lug

TH123+.4；TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.007

1672-0121（2016）02-0034-03

2015-09-06；

2015-10-27

王令寶（1983-），男，碩士，工程師，從事大型液壓機(jī)、鋼板剪切機(jī)、軋機(jī)等研發(fā)設(shè)計。E-mail:13889153635@163.com