大型鋁擠壓設備活動橫梁受力分析及優化

楊紅娟，張君，羅遠新，陳永甲，李正利

（1.中國重型機械研究院股份公司金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西西安710032；2.重慶大學機械工程學院，重慶400030）

大型鋁擠壓設備活動橫梁受力分析及優化

楊紅娟1，張君1，羅遠新2，陳永甲1，李正利1

（1.中國重型機械研究院股份公司金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西西安710032；2.重慶大學機械工程學院，重慶400030）

本研究建立了大型鋁擠壓設備活動橫梁的有限元模型，采用該模型對大型鋁擠壓設備活動橫梁的受力進行了分析。研究發現，鑄造（實心）活動橫梁的結構形式、垂直放置工字鋼式活動橫梁中筋板的厚度和位置、擠壓桿壓蓋孔徑的大小對活動橫梁的受力都有很大的影響。本文基于有限元計算結果對活動橫梁的結構進行了優化設計，獲得了可以滿足設備功能要求的活動橫梁。

擠壓機；活動橫梁；有限元模擬；受力分析；大型；鋁合金

隨著科學技術和經濟建設的飛速發展，航空壁板、飛機大梁、高速列車車體、船用壁板等大型薄壁寬幅、高精度和復雜斷面的鋁合金型材市場需求量越來越大。特別是地鐵客運車輛和飛機制造行業對大型鋁合金擠壓型材的需求量呈逐步上升趨勢[1-3]。這些大型擠壓型材必須用現代化的大型擠壓機來生產。

如圖1所示，擠壓機的活動橫梁在主柱塞的前端，而在活動橫梁的前端面上裝有擠壓機的主要擠壓工具——擠壓桿?；顒訖M梁的作用有兩個：一是在擠壓機主柱塞向前推進時，平衡主柱塞外伸部分的自重；二是利用活動橫梁下部和上部的導向裝置控制擠壓桿的方向?；顒訖M梁中心與擠壓桿端面的接觸部分承受主缸擠壓力的作用，兩側面承受側缸擠壓力的作用，因此，活動橫梁既受壓力的作用，又受彎矩的作用[4-6]。對于大型擠壓機，兩側缸的中心距離相對較大，因此彎矩作用更明顯。此外，大型擠壓機由于在活動橫梁部分又設置了擠壓桿快速更換裝置，橫梁結構更復雜。對于中小型擠壓機，活動橫梁采用焊接（空心）或鑄造（空心）結構的居多。對于大型擠壓機，為了壓機結構更緊湊，疲勞壽命更長，更多地采用了鑄造（實心）結構。本文采用有限元方法對大型鋁擠壓設備的活動橫梁進行了受力分析，并基于此對活動橫梁結構進行了優化設計，獲得了可以滿足設備功能要求的活動橫梁。

圖1 擠壓機活動橫梁示意圖

1 有限元模型的建立

大型鋁擠壓設備活動橫梁有限元模型的建立涉及的關鍵技術包括幾何模型的建立、有限元模型單元的劃分、材料參數的設置、邊界條件和載荷的施加等。

本研究的活動橫梁采用SolidWorks軟件進行三維實體建模，然后將該幾何模型導入專業的有限元模擬軟件ABAQUS中進行后續的有限元模型的建立。在建立有限元模型時，根據有限元模擬計算的需要，同時在不影響計算結構精度的前提下，簡化了一些倒角、凸臺及小孔，對于不是處于主要承力部位的一些尺寸較小的螺紋孔或銷孔，也給予忽略處理[7-8]。

活動橫梁材料為ZG35Cr1Mo，其主要力學性能參數為[9-10]：σs≥392MPa，σb≥588MPa，δ5≥12％，彈性模量2.02×105MPa，泊松比取0.3。

網格劃分是建立有限元模型的一個重要環節，所劃分的單元形式對計算精度及計算規模將產生直接影響[11-12]。本文中活動橫梁網格采用四節點六面體線性縮減積分單元建模，無法用六面體的地方采用的是四面體網格[13-14]。

本研究中的擠壓設備為120MN鋁擠壓機，主缸可產生109.9MN的擠壓力，兩個側缸可產生12.7MN的擠壓力，擠壓機總噸位為122.6MN。兩個側缸回程力為7.9MN。所以活動橫梁中心在與擠壓軸端面的接觸部分承受主缸109.9MN的擠壓力，兩側面承受12.7MN的擠壓力。在實際工作過程中，活動橫梁分擠壓和回程兩個工況，只有在滿載且擠壓工況下，活動橫梁受到的作用力最大，所以本研究只在滿載擠壓工況下模擬。

由于活動橫梁模型結構、受力對稱，所以取1/2模型進行計算?；顒訖M梁和主柱塞及Z軸正向擠壓桿壓蓋之間的接觸，如圖2所示。

圖2 活動橫梁和主柱塞及Z軸正向擠壓桿壓蓋之間的接觸

X方向均設為對稱約束如圖3b，在主柱塞的一端加Y、Z方向約束如圖3a，在如圖3c中所示的位置施加載荷。

圖3 動梁邊界條件及受力加載

2 有限元計算結果分析

本文采用上面所建立的有限元模型對大型鋁擠壓設備活動橫梁進行了計算，研究了鑄造（實心）活動橫梁的結構形式、垂直放置工字鋼式活動橫梁中筋板的厚度和位置、擠壓桿壓蓋孔徑的大小等對強度及剛度的影響，并通過研究獲得了可以滿足設備功能要求的動梁優化結構。

圖4為活動橫梁鑄造（實心）結構時的等效應力云圖和綜合位移云圖。由計算結果可看出，橫梁兩側緣主柱塞方向位移較大，最大值2.36mm，中心大部分區域都在2mm之內，但局部區域主應力最大值達135MPa，遠遠超過應力允許范圍，且模型整體過于結實，造成材料一定程度上的浪費。

圖5a、b去掉了活動橫梁兩側翼部分材料，建立了新的模型。新模型重新計算時橫梁和主柱塞及Z軸正向擠壓桿壓板之間的接觸、邊界條件及受力加載與圖2、圖3相同。圖5c、d為計算結果。由計算結果可看出，雖然在重量上相比原始模型減去很多，但是最大主應力值（200.4MPa）明顯超過需用范圍，且超出很多。

圖4、圖5計算結果中，活動橫梁中擠壓桿壓蓋圓角處主應力都過大。圖6a將擠壓桿壓蓋孔徑由原來的1650mm變為1730mm，紅色箭頭表示孔徑1730mm。圖6b在背部應力集中處增加了一個斜度，以期望能減小該位置應力大小。依此新模型重新計算，計算時橫梁和主柱塞及Z軸正向擠壓桿壓蓋之間的接觸、邊界條件及受力加載和圖2、圖3相同。圖6c、d、e、f為計算結果。由計算結果可看出，在不改變其他條件的前提下，將擠壓桿壓蓋孔徑擴大后，壓蓋圓角處的應力值有明顯的下降（剪應力降低），且在增加一個過渡斜度后，背部應力集中處應力值有明顯下降。

為了充分利用結構，且降低活動橫梁質量，圖7a、b中采用了垂直放置工字鋼式活動橫梁模型。擠壓桿壓蓋孔徑為1730mm。依此新模型重新計算，計算時橫梁和主柱塞及Z軸正向擠壓桿壓蓋之間的接觸、邊界條件及受力加載和圖2、圖3相同。圖7c、d、e、f為計算結果。由計算結果可看出，活動橫梁最大主應力已降為103MPa，最大等效應力134.5MPa。

圖4 活動橫梁實心結構時的等效應力云圖和綜合位移云圖

圖5 活動橫梁新模型及最大主應力云圖

圖8是在圖7基礎上修改模型、重新計算。如圖8a所示，這次模型總體還是垂直放置工字鋼式結構，主要是把活動橫梁厚度250mm的筋板位置做了調整，圖7中該筋板沿橫梁中心對稱布置，圖8中偏置75mm，即中心線以上50mm，中心線以下200mm。擠壓桿壓蓋孔徑仍為1730mm。圖8b為活動橫梁等效應力云圖，最大值為103.3MPa，圖8c、d、e、為活動橫梁最大主應力云圖，最大值為66.5MPa。圖8f活動橫梁綜合位移圖，最大值2.57mm。該模型結果，橫梁等效應力和主應力都在110MPa以下，綜合位移絕大部分都在2mm以下，滿足設計要求。因此，最終的活動橫梁設計采用了圖8所示的結構。

根據以上研究結果研制成功的120MN鋁擠壓機活動橫梁如圖9所示。

圖6 擠壓桿壓蓋孔徑新模型及最大主應力云圖

圖7 活動橫梁新模型、最大主應力云圖、等效應力云圖

3 結論

本研究采用專業的有限元模擬軟件ABAQUS建立了大型鋁擠壓設備活動橫梁的有限元模型，采用該模型對大型鋁擠壓設備活動橫梁的受力進行了分析。研究發現：

（1）垂直放置工字鋼式活動橫梁結構較之于實心結構和水平放置式結構，不僅重量小、成本低而且受力好，是大型鋁擠壓設備鑄造（實心）活動橫梁的首選。

（2）工字鋼式活動橫梁結構中筋板的厚度和位置對橫梁的受力影響很大，設計中應該多計算、多比較，取最佳值。

（3）擠壓桿壓蓋孔徑的大小對活動橫梁的受力影響也很大，設計中應該多計算、多比較，取最佳值。

圖8 活動橫梁新模型、最大主應力云圖、等效應力云圖及綜合位移云圖

圖9 120MN鋁擠壓機活動橫梁實物圖

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Force analysis and optim ization of moving crossbeam for large scale alum inum extrusion equipment

YANG Hongjuan1,ZHANG Jun1,LUO Yuanxin2,CHEN Yongjia1,LI Zhengli1
（1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, China national Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710032,Shanxi China; 2.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,Sichuan China）

The finite element model has been established to the moving crossbeam of large scale aluminum extrusion equipment.The force of the moving crossbeam has been analyzed by use of above model.It is found that the structure form of casting(solid)moving crossbeam and the thickness＆amp;position of stiffened plate of moving crossbeam as well as the diameter size of extrusion rod gland have grate influence to the force of moving crossbeam.The optimized design has been conducted to the structure of the moving frame on the basis of finite element calculation result.The moving crossbeam which satisfies the functional demand has been obtained.

Large scale aluminum extrusion equipment;Moving crossbeam;Force analysis;Finite element simulation

TG375+.25

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.016

1672-0121（2016）05-0054-05

2016-04-27；

2016-06-10

高檔數控機床與基礎制造裝備國家科技重大專項（04專項）資助項目（2009ZX04005-031，2011ZX04016-081）；陜西省重點科技創新團隊項目（2013KCT-10）

楊紅娟（1972-），女，高級工程師，從事擠壓機研發設計