100MN三梁四柱模鍛壓機(jī)主機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

文／魏強(qiáng)，石慧·中國鍛壓協(xié)會劉川·二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司

100MN三梁四柱模鍛壓機(jī)主機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

文／魏強(qiáng)，石慧·中國鍛壓協(xié)會劉川·二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司

本文設(shè)計的單缸三梁四柱壓機(jī)為100MN大型模鍛壓機(jī)，主機(jī)架作為承載工作壓力的部件是該壓機(jī)的重要組成部分?；谥鞴ぷ鞲捉Y(jié)構(gòu)尺寸與工作壓力，主機(jī)架的設(shè)計制造不僅關(guān)系到壓機(jī)的工作安全和使用壽命，同時也為壓機(jī)的維護(hù)提供方便，降低壓機(jī)的制造成本。文中通過對壓機(jī)機(jī)架預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下的模擬分析，對機(jī)架結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行校對，確保機(jī)架在額定狀態(tài)下能夠安全穩(wěn)定的工作。該壓機(jī)的分析計算為大型模鍛壓機(jī)機(jī)架提供了設(shè)計方案與校對方法。

三梁四柱結(jié)構(gòu)是最常見的壓機(jī)形式，因其結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)，經(jīng)濟(jì)實用等特點，被廣泛應(yīng)用于各種用途的壓機(jī)設(shè)計。工作缸的結(jié)構(gòu)尺寸決定了壓機(jī)的工作能力，壓機(jī)本體機(jī)架的設(shè)計要保證主工作缸最大載荷工作狀態(tài)下能夠穩(wěn)定可靠的運行。作為液壓機(jī)本體核心結(jié)構(gòu)，機(jī)架的機(jī)械設(shè)計是本體設(shè)計的重要組成部分。本文設(shè)計的100MN單缸三梁四柱液壓機(jī)，經(jīng)SolidWorks模擬分析，直觀的展示了壓機(jī)在預(yù)緊狀態(tài)與工作狀態(tài)機(jī)架本體各個部分的受力情況與變形程度，為壓機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供了便利的條件與可靠的依據(jù)。

本文設(shè)計的100MN單缸模鍛三梁四柱壓機(jī)，主工作缸外徑2400mm，有效行程1300mm，工作油壓32MPa。在工作缸安全可靠、結(jié)構(gòu)確定的情況下，主要對模鍛壓機(jī)的機(jī)架進(jìn)行設(shè)計分析，并通過模擬校驗，對壓機(jī)本體的承載能力進(jìn)行驗證。主機(jī)架是本壓機(jī)承載載荷的重要組成部分，其設(shè)計的合理性直接關(guān)系到整個模鍛壓機(jī)的安全穩(wěn)定與制造成本。本體（機(jī)架）主要包括底座、下橫梁、活動橫梁、上橫梁、立柱、螺桿等，經(jīng)初步計算主體機(jī)架重量約400噸，高度約10米，最大鑄件重量可達(dá)110噸。在保證壓機(jī)安全穩(wěn)定運行的情況下，主機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅影響到壓機(jī)的使用壽命，在機(jī)架的加工、制造、安裝、調(diào)試、維護(hù)等方面也體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣性，高效低成本的設(shè)計是一臺壓機(jī)制造工藝水平的直接體現(xiàn)。100MN單缸三梁四柱模鍛壓機(jī)采用預(yù)應(yīng)力式組合框架結(jié)構(gòu)，在大型液壓機(jī)制造過程中，組合式框架將機(jī)架各部分單獨鑄造、焊接進(jìn)行相關(guān)熱處理，為機(jī)架的機(jī)械加工提供了便利。而預(yù)應(yīng)力式框架結(jié)構(gòu)相比整體式框架減少了局部應(yīng)力集中，提供了機(jī)架的疲勞抗力與壓機(jī)承載能力，保證了壓機(jī)的可靠運行，在本體結(jié)構(gòu)中，很大程度的降低了壓機(jī)重量。為確保壓機(jī)本體的設(shè)計合理有效，利用SolidWorks分別模擬計算預(yù)應(yīng)力機(jī)架在預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下機(jī)架剛度與強(qiáng)度的承載情況。

本體機(jī)架預(yù)緊力

三梁四柱模鍛壓機(jī)各部分受力結(jié)果如下： ⑴主工作缸最高工作壓力：100MN；⑵主機(jī)架在最高工作壓力下的總預(yù)緊力：130MN；⑶主機(jī)架共有4根立柱，每根立柱中包含4根螺紋拉桿，每根拉桿在最高工作壓力下的預(yù)緊力為8.2MN。

主機(jī)架的材料參數(shù)

上橫梁、活動橫梁、下橫梁材料為ZG20SiMn，該材料彈性模量E=2.1×1011Pa；泊松比μ=0.29；屈服強(qiáng)度σs≥327MPa；抗拉強(qiáng)度σb≥516MPa。

四根立柱材料為Q345，該材料彈性模量E=2.06×1011Pa； 泊 松 比μ=0.28； 屈 服 強(qiáng) 度σs≥345MPa；抗拉強(qiáng)度σb≥470MPa。

機(jī)架結(jié)構(gòu)模擬分析

機(jī)架模型建立

主機(jī)架模型為三梁四柱結(jié)構(gòu)，機(jī)架尺寸為4300mm×2820mm×905mm，上橫梁與下橫梁通過四根立柱對接，立柱中空，每根立柱內(nèi)包含4根拉桿，通過拉桿提供預(yù)緊力維持壓機(jī)穩(wěn)定運行。立柱不僅支撐上橫梁與下橫梁，使其在預(yù)緊狀態(tài)保持本體穩(wěn)定，同時也為活動橫梁提供水平方向?qū)蚱胶狻８鶕?jù)SolidWorks模擬分析的要求，本次模擬算例對主機(jī)架作了相應(yīng)模型簡化工作。與此同時，對三梁四柱模鍛壓機(jī)進(jìn)行分析計算時，考慮到整體計算時，由于零件較多，劃分整個機(jī)架網(wǎng)格運算，往往會遇到網(wǎng)格無法劃分，或者在整個模型網(wǎng)格劃分后，計算機(jī)運算時間較長等一系列問題。本模型在水平方向為前后和左右分別對稱的結(jié)構(gòu)，所以，對機(jī)架模型簡化為四分之一，即單根立柱與四分之一橫梁的算例進(jìn)行分析計算。

模型簡化后，分別對預(yù)緊狀態(tài)與工作狀態(tài)下的模型進(jìn)行靜應(yīng)力算例分析，其網(wǎng)格劃分如圖1所示。左圖為預(yù)緊狀態(tài)時機(jī)架模型網(wǎng)格劃分，包括對立柱，上橫梁，下橫梁部分的劃分，其他本體部分在預(yù)緊狀態(tài)對機(jī)架的影響與拉桿施加的預(yù)緊力相比可以忽略。右圖為工作狀態(tài)下壓機(jī)模型的網(wǎng)格劃分，與左圖相比，工作狀態(tài)下主工作缸內(nèi)輸入32MPa的油壓，即在機(jī)架上橫梁受主工作缸底部施加的向上推力，在下橫梁上受到主工作缸柱塞施加給活動橫梁下模具坯料的壓力。壓機(jī)本體其他部分模型在工作狀態(tài)下對機(jī)架作用影響可以忽略。

圖1 簡化機(jī)架模型網(wǎng)格劃分

設(shè)置邊界條件與加載載荷

100MN三梁四柱模鍛壓機(jī)簡化模型在預(yù)緊狀態(tài)下設(shè)置的邊界條件與載荷如圖2所示。壓機(jī)下橫梁以立柱連接處下表面作為固定面，拉桿施加給機(jī)架的預(yù)緊力作用在上橫梁拉桿墊塊上。機(jī)架各剖面施加對稱約束，從而確保四分之一簡化模型與整體結(jié)構(gòu)計算分析效果一致。

簡化模型在工作狀態(tài)下設(shè)置的邊界條件與載荷如圖3所示。工作狀態(tài)與預(yù)緊狀態(tài)相比，在工作缸內(nèi)加載油壓如圖3c所示。

模型計算結(jié)果分析

⑴壓機(jī)預(yù)緊狀態(tài)機(jī)架模擬分析。

圖2 預(yù)緊狀態(tài)機(jī)架模型邊界條件與加載載荷

圖3 工作狀態(tài)機(jī)架模型邊界條件與加載載荷

圖4 機(jī)架預(yù)緊狀態(tài)水平方向與豎直方向位移云圖

①剛度分析。本體在預(yù)緊狀態(tài)下，立柱與上下橫梁等機(jī)架部分都會產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，因此，需要對該部分剛度進(jìn)行計算分析。機(jī)架剛度的分析主要包括對立柱與上下橫梁在預(yù)緊狀態(tài)下的撓度以及機(jī)架壓縮量，即在水平方向（x軸）以及豎直方向（y軸）上的機(jī)架變形狀況。

圖4是機(jī)架本體在預(yù)緊狀態(tài)下上橫梁、下橫梁、立柱和墊塊在水平（x軸）方向與豎直（y軸）方向的位移云圖。圖5是各部分位移云圖總體分布情況。圖4表明，機(jī)架撓度變化即x方向位移最大值為0.0547mm，位移的變化主要集中在立柱兩端。機(jī)架壓縮量變化即y方向位移最大值為3.39mm，變化較大位置發(fā)生在立柱兩端，而立柱中部與上下橫梁壓縮變量較小。圖5顯示，位移變化最大的位置在立柱兩端以及與上下橫梁夾緊的地方，最大位移值為3.39mm，計算時設(shè)定下橫梁拉桿面為固定平面，所以位移變化顯示集中在上橫梁部分，實際情況下，位移變化會均布在上下兩端。

圖5 機(jī)架預(yù)緊狀態(tài)位移云圖

機(jī)架上橫梁與下橫梁的變形對于100MN三梁四柱模鍛壓機(jī)的總體裝配情況影響不大，壓機(jī)本體機(jī)架在預(yù)緊力壓縮量變化上也不會對安裝產(chǎn)生較大影響，但是撓度的變化關(guān)系到活動橫梁、主工作缸等一系列配件的安裝。據(jù)圖5分析，該本體機(jī)架的撓度變化很小，不會對壓機(jī)的安裝產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

②強(qiáng)度分析。預(yù)緊狀態(tài)下，機(jī)架本體上橫梁與下橫梁處于壓應(yīng)力狀態(tài)，合理的機(jī)架設(shè)計，應(yīng)考慮到壓應(yīng)力對機(jī)架產(chǎn)生的局部疲勞損壞，避免機(jī)架整體結(jié)構(gòu)失效。

由圖6可知，壓機(jī)在預(yù)緊狀態(tài)下，上下橫梁與拉桿夾緊位置的應(yīng)力集中比較明顯，立柱整體受較高壓應(yīng)力作用，機(jī)架最大應(yīng)力為117MPa，機(jī)架立柱部分材料許用屈服強(qiáng)度345MPa，而且在工作狀態(tài)下，該部分應(yīng)力會大幅度降低，符合安全需求。

圖6 機(jī)架預(yù)緊狀態(tài)下的應(yīng)力云圖

⑵壓機(jī)工作狀態(tài)機(jī)架模擬分析。

①剛度分析。本體在工作狀態(tài)下，除了受到拉桿對機(jī)架產(chǎn)生的預(yù)緊力外，上橫梁與下橫梁也會受到工作缸傳遞的載荷。因此，工作狀態(tài)下除了立柱與橫梁夾緊部分會產(chǎn)生彈性變形，上下橫梁也會受工作缸的作用產(chǎn)生變形情況。需要對上橫梁、下橫梁、工作缸以及活動橫梁進(jìn)行剛度計算。剛度分析主要包括對各部分工作狀態(tài)下的撓度以及機(jī)架壓縮量，即在水平方向（x軸）以及豎直方向（y軸）上的機(jī)架變形狀況。

圖7是機(jī)架本體在工作狀態(tài)下水平（x軸）方向與豎直（y軸）方向的位移云圖。圖8是各部分位移云圖總體分布情況。圖7表明，機(jī)架撓度變化即x方向位移最大值為0.822mm，位移的變化主要集中在立柱中部。機(jī)架壓縮變量即y方向位移最大值為0.332mm，變化較大的位置集中在上橫梁連接工作缸缸底的位置。圖8顯示，位移變化最大位置出現(xiàn)在橫梁與立柱壓緊位置，最大值為1.52mm，相比橫梁，立柱位移變化較大，設(shè)計時應(yīng)當(dāng)格外注意。

上下橫梁的變形對壓機(jī)總體裝配情況影響不大，壓機(jī)本體在工作狀態(tài)下壓縮變量也不會對壓機(jī)運行產(chǎn)生較大影響，而工作狀態(tài)下，撓度的變化往往會影響壓機(jī)的加工精度。根據(jù)以上計算結(jié)果可知，撓度的變化主要發(fā)生在上橫梁與工作缸連接的部分，不會在加工過程中出現(xiàn)較大的偏心力，對加工精度影響較小。從圖中的計算結(jié)果可以看出，機(jī)架整體位移變化梯度較大的位置在上橫梁墊塊位置，所以，對墊塊的結(jié)構(gòu)和厚度加以調(diào)整可以提高壓機(jī)的可靠性。

②強(qiáng)度分析。工作狀態(tài)下，機(jī)架本體處于拉應(yīng)力狀態(tài)，考慮拉應(yīng)力對機(jī)架產(chǎn)生的局部疲勞損壞，避免機(jī)架整體結(jié)構(gòu)失效，在本體設(shè)計中應(yīng)予以注意。

圖9計算結(jié)果表明，主工作缸對上橫梁與下橫梁施加的反作用力較大，局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值達(dá)到80MPa。因為機(jī)架上下橫梁所用材料許用屈服強(qiáng)度為327MPa，相比之下，機(jī)架本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠保證壓機(jī)穩(wěn)定可靠運行。

圖7 機(jī)架工作狀態(tài)水平方向與豎直方向位移云圖

圖8 機(jī)架工作狀態(tài)位移云圖

圖9 機(jī)架工作狀態(tài)下的應(yīng)力云圖

結(jié)束語

通過對100MN三梁四柱模鍛壓機(jī)主機(jī)架結(jié)構(gòu)分析計算可以得知，機(jī)架立柱部分易出現(xiàn)較明顯的撓度變化，墊塊剛度變化較大，應(yīng)當(dāng)對相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整加厚。而壓機(jī)在預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)對上橫梁與下橫梁等本體結(jié)構(gòu)影響較小，可以保證壓機(jī)穩(wěn)定可靠的運行。