小型快速鍛造液壓機(jī)機(jī)架的模態(tài)分析

牟順順,成小樂,牛 勇,趙冠淇

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山西 太原 030024;3.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111000)

0 引 言

目前,我國(guó)制造的大噸位液壓機(jī)以全預(yù)緊力框架結(jié)構(gòu)為主,結(jié)構(gòu)形式多樣,在強(qiáng)度和精度方面都得到較大提升,但快速性問題一直未得到較好的解決。小型液壓機(jī)生產(chǎn)效率高、鍛件質(zhì)量好、操作機(jī)自動(dòng)化程度高、節(jié)能效果好[1-2]。在自由鍛造液壓機(jī)中,機(jī)身穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)尤為重要,關(guān)系到液壓機(jī)能否正常穩(wěn)定地工作。隨著我國(guó)對(duì)快鍛液壓機(jī)需求的增多,活塞式、缸動(dòng)式、框架預(yù)緊式液壓機(jī)顯示出強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)[3-5]。

鍛造液壓機(jī)穩(wěn)定性分析常采用有限元分析方法,分析結(jié)果可顯示液壓機(jī)組合預(yù)緊機(jī)架危險(xiǎn)點(diǎn)及高應(yīng)力區(qū)[6-7]。邵飛利用該方法對(duì)10 MN小型鍛造液壓機(jī)的機(jī)身進(jìn)行優(yōu)化,為企業(yè)節(jié)省了ZG25Mn材料[8]。同時(shí)，該方法還可用于模擬聯(lián)動(dòng)式液壓系統(tǒng)在鍛造力下的變形,所設(shè)計(jì)的液壓機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，速度可達(dá)到要求[9]。本文參考對(duì)大直徑不銹鋼棒料剝皮機(jī)的刀盤系統(tǒng)模態(tài)分析及優(yōu)化[10],對(duì)2種液壓機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型。利用模態(tài)分析方法不但可確定快速鍛造液壓機(jī)零部件共振區(qū)域,而且可確定偏心時(shí)預(yù)應(yīng)力對(duì)工作精度的影響,保證液壓機(jī)機(jī)架的穩(wěn)定與可靠[11-13]。RAZ曾對(duì)四柱下拉式、兩柱下拉式和上傳動(dòng)式進(jìn)行模態(tài)分析,求得其應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D和相關(guān)形式的固有頻率,確定出四柱上傳動(dòng)式液壓機(jī)是最佳選擇[14]。但是，國(guó)內(nèi)外至今仍缺少有關(guān)小型快速鍛造液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)的選型及其理論分析。

本文為滿足50 t小型快速鍛造液壓機(jī)的需求,利用有限元分析方法對(duì)缸動(dòng)式、預(yù)應(yīng)力框架式鍛造液壓機(jī)的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模與分析。通過計(jì)算比較,得出適用于50 t鍛造力下的最優(yōu)機(jī)架形式。

1 有限元模型的建立

1.1 鍛造液壓機(jī)結(jié)構(gòu)

缸動(dòng)式液壓機(jī)在鍛造時(shí),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,維修方便,活動(dòng)件質(zhì)量較小,效率也有較大的提升。圖1為2種機(jī)身的結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖1(a)為缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)示意圖。此種結(jié)構(gòu)上橫梁1、中間橫梁4、下橫梁6、上下立柱均固定；預(yù)緊螺母固定后形成2個(gè)受力機(jī)架。在鍛造時(shí)，工作缸7在中間橫梁4的2個(gè)導(dǎo)向套中作上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng),上砧直接固定在工作缸7的缸底；工作行程時(shí),高壓液體通過柱塞9中間的通孔；進(jìn)人工作缸,推動(dòng)工作缸與上砧向下運(yùn)動(dòng)；回程時(shí),固定在中間橫梁4上的回程缸3進(jìn)入高壓液體,推動(dòng)回程柱塞及托板8，同時(shí)帶動(dòng)工作缸向上回程。托板8以上機(jī)架的上立柱2作為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向,可防止工作缸水平轉(zhuǎn)動(dòng)[15]。

(a) 缸動(dòng)式機(jī)架示意圖

(b) 框架式機(jī)架示意圖圖 1 2種結(jié)構(gòu)的機(jī)身示意圖Fig.1 The frame diagram of two kinds of hydraulic press structures

框架預(yù)緊力液壓機(jī)剛性好，加工精度高，耐疲勞強(qiáng)度較好。框架式機(jī)架如圖1(b)所示。上橫梁2、下橫梁6均固定不動(dòng),用預(yù)應(yīng)力拉桿5將上、下橫梁連在一起。由大型螺母分別緊固,形成剛性受力機(jī)架。工作缸1的缸體固定在上橫梁,而中間橫梁則可以運(yùn)動(dòng),在工作缸和回程缸的作用下上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。回程缸和上砧通過夾緊裝置3進(jìn)行夾緊,與回程缸一起往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為了更好地增加拉桿的剛性和抵抗受力變形,常采用柱套-拉桿的形式。

鍛造液壓機(jī)的立柱和拉桿不僅要承受高溫環(huán)境,較大的鍛造力,還要抵抗機(jī)架的偏載。H13(4Cr5MoSiV1)模具鋼有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,故本文選擇的2種液壓機(jī)，其立柱和拉桿均為H13(4Cr5MoSiV1)模具鋼材料，而其他零件采用45號(hào)結(jié)構(gòu)鋼。2種材料性能指標(biāo)如表1所示。

表 1 液壓機(jī)所用材料屬性Tab.1 The material properties of hydraulic press

本文主要分析2種液壓機(jī)機(jī)架的穩(wěn)定性,故需要控制模型的材料、液壓缸的工作壓力、鍛造的環(huán)境溫度、尺寸和剛度等鍛造環(huán)境對(duì)模態(tài)分析的影響，從而更加準(zhǔn)確地判別2種機(jī)架的優(yōu)缺點(diǎn)。液壓機(jī)鍛造環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表 2 液壓機(jī)鍛造環(huán)境參數(shù)Tab.2 The forging environmental parameters of hydraulic press

1.2 2種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分對(duì)比

為了使網(wǎng)格劃分更加準(zhǔn)確,便于分析，需簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)機(jī)架,去除螺絲、螺母、液壓缸等復(fù)雜零件。利用Pro/E進(jìn)行三維建模,其中缸動(dòng)式簡(jiǎn)化機(jī)架三維模型結(jié)構(gòu)包括上橫梁、上立柱、中間橫梁、下立柱、下橫梁部分。缸動(dòng)式簡(jiǎn)化后的模型總長(zhǎng)為957 mm,寬為500 mm,高為1 956.4 mm?？蚣苁胶?jiǎn)化機(jī)架三維模型包括上梁預(yù)應(yīng)力拉桿、柱套、下橫梁3部分?？蚣苁胶?jiǎn)化后的模型總長(zhǎng)為1 414 mm,寬為500 mm,高為2 706 mm。

在網(wǎng)格劃分之前,為保證2個(gè)零件配合時(shí)節(jié)點(diǎn)重合、分析準(zhǔn)確,需要在ANSYS Workbench的Design Model模塊中將零件進(jìn)行布爾合操作以合并零件。首先采用四面體網(wǎng)格劃分,對(duì)2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行全局網(wǎng)格劃分。曲率法相角度均設(shè)置為18°,最大單元尺寸為5 mm,最小單元尺寸為0.55 mm,過度比均為0.272。然后對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格劃分,使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。具體細(xì)化部位如圖2所示。圖2中，局部細(xì)化1為上橫梁柱塞處,局部細(xì)化2為立柱和拉桿處,局部細(xì)化3為下砧處。

(a) 缸動(dòng)式網(wǎng)格劃分 (b) 框架式網(wǎng)格劃分圖 2 2種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 The grid division diagram of the two structures

ANSYS Workbench軟件計(jì)算結(jié)果顯示：缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的最小邊緣尺寸為5.461 70 mm,節(jié)點(diǎn)數(shù)為972 824個(gè),找到元素713 137,元素質(zhì)量的平均值為0.780 16，如圖2(a)所示;框架式結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的最小邊緣尺寸為5.5 mm,節(jié)點(diǎn)數(shù)為321 520 個(gè),找到相關(guān)元素205 175個(gè),元素質(zhì)量的平均值為0.789 01，如圖2(b)所示。經(jīng)過分析2種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格參數(shù),確認(rèn)網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好,可進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。

1.3 2種結(jié)構(gòu)受力工況對(duì)比

缸動(dòng)式組合機(jī)架主要由上機(jī)架和下機(jī)架組成,具體受力如圖1(a)所示。在鍛造力P的作用下,中間橫梁4會(huì)受到偏心載荷T1和T2的作用,使得液壓機(jī)受到小位移偏心距e的影響。

框架式組合機(jī)架主要是拉桿5和柱套4承受鍛造力P。在發(fā)生偏心鍛造力時(shí),所受的偏載力T主要為拉桿5均勻承受,造成小位移的偏心距e。同時(shí)，液壓機(jī)受到螺絲預(yù)緊,具體受力如圖1(b)所示。

在模擬軟件中，2種結(jié)構(gòu)受4.9×105N(50 t)鍛造力、偏心載荷(T1、T2及T)和螺絲預(yù)緊力。鍛造力添加的位置為上橫梁中心處(局部細(xì)化1)和下砧處(局部細(xì)化3),如圖2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜力學(xué)對(duì)比分析

為計(jì)算2種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度是否滿足鍛造要求,分析2種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布,對(duì)其進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。靜力學(xué)分析理論公式為[16]

K×δ=F

(1)

式中:K為鍛造液壓機(jī)的剛度矩陣;δ為鍛造液壓機(jī)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移陣列;F為結(jié)構(gòu)的載荷陣列。根據(jù)實(shí)際鍛造需求,分別添加上述鍛造工況及約束條件進(jìn)行求解計(jì)算。

選取靜力學(xué)中的總變形云圖和應(yīng)力分布云圖對(duì)2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行鍛造震動(dòng)分析。應(yīng)用ANSYS Workbench軟件分析,2種結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)總變形和應(yīng)力分布云圖如圖3、4所示。

(a) 缸動(dòng)式總變形量分布云圖

(b) 框架式總變形量分布云圖圖 3 液壓機(jī)總變形量云圖Fig.3 The cloud diagram of total deformation of hydraulic press

圖3(a)和(b)顯示，2種結(jié)構(gòu)最大變形量均較小。因鍛造液壓機(jī)在工作時(shí)液壓缸沖擊力會(huì)對(duì)上梁造成影響,故最大變形量均發(fā)生在液壓缸與上橫梁接觸處;其次，由于立柱及拉桿受偏心載荷的影響,此處也有較大的變形。2種結(jié)構(gòu)最大變形量較小，并且均小于0.204 mm,因此結(jié)構(gòu)的剛性良好。圖4(a)和(b)顯示:缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)最大靜應(yīng)力集中在下砧和立柱，框架預(yù)緊式鍛造液壓機(jī)最大靜應(yīng)力集中在下砧和拉桿柱套處。其最大靜應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度235 GPa,故2種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足機(jī)械設(shè)計(jì)理論要求。

(a) 缸動(dòng)式應(yīng)力分布云圖

(b) 框架式應(yīng)力分布云圖圖 4 液壓機(jī)應(yīng)力分布云圖Fig.4 The stress distribution cloud diagram of hydraulic press

在結(jié)構(gòu)方面,缸動(dòng)式液壓機(jī)有2層受力機(jī)架,偏載時(shí)有應(yīng)力抵消,總應(yīng)力變小;在節(jié)約材料方面,缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕,便于制造,上下機(jī)架只需螺栓預(yù)緊。缸動(dòng)式機(jī)構(gòu)鍛造時(shí)液壓缸缸體遠(yuǎn)離高溫鍛造件,使得應(yīng)力不容易集中,延長(zhǎng)使用壽命。根據(jù)云圖數(shù)據(jù)(圖3、4)可以計(jì)算得出,缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)的變形量是框架式結(jié)構(gòu)變形量的11.7%,總的應(yīng)力也只有框架式結(jié)構(gòu)的17.6%。綜上所述,缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度等較框架式結(jié)構(gòu)優(yōu)越。

2.2 模態(tài)對(duì)比分析

模態(tài)分析理論實(shí)質(zhì)是將模型中的物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為模態(tài)坐標(biāo),根據(jù)有限元矩陣方程求解，可以獲得模型結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型云圖。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方程為[17]

(2)

靜力學(xué)分析完后,在ANSYS Workbench軟件中創(chuàng)建模態(tài)分析模塊。在前6階振型中,因前3階振型對(duì)液壓機(jī)工作時(shí)的影響比較大,所以本文只列出2種液壓機(jī)機(jī)架前3階振型的云圖和前6階云圖數(shù)據(jù)。缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)前3階振型云圖如圖5所示,其固有頻率和偏載位移如表4所示。

(a) 1階振型云圖 (b) 2階振型云圖 (c) 3階振型云圖圖 5 缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)各階振型分布云圖Fig.5 The distribution cloud diagram of each mode of cylinder moving type

表 4 缸動(dòng)式鍛造液壓機(jī)模態(tài)分析結(jié)果Tab.4 The modal analysis results of cylinder moving forging hydraulic machine

圖5(a)為缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)1階振型,主要是液壓機(jī)發(fā)生前后偏載時(shí)的受力振型;圖5(b)為缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)2階振型,主要是液壓機(jī)發(fā)生左右偏載時(shí)的受力振型;圖5(c)為缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)3階振型,主要是液壓機(jī)發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)的受力振型。缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)的4、5、6階振型,分別是液壓機(jī)中間橫梁發(fā)生偏載時(shí)的受力振型，液壓機(jī)上機(jī)架發(fā)生左側(cè)偏載時(shí)的受力振型，液壓機(jī)發(fā)生上下側(cè)向偏載時(shí)的受力振型。缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)的前6階振型的固有頻率隨階數(shù)的增加而增大。因前3階影響較大,故前3階振型增長(zhǎng)率比后3階增長(zhǎng)率快,其固有頻率的增長(zhǎng)量差為2.4～24.7 Hz。因液壓機(jī)發(fā)生扭轉(zhuǎn),偏移量變化較大,故偏移量呈“Z”型變化趨勢(shì)。

框架式結(jié)構(gòu)前3階結(jié)果云圖如圖6所示,其固有頻率和偏載位移如表5所示。

(a) 1階振型云圖 (b) 2階振型云圖 (c) 3階振型云圖圖 6 框架式結(jié)構(gòu)各階振型分布云圖Fig.6 The distribution cloud diagram of vibration mode of frame structure

表 5 框架式鍛造液壓機(jī)模態(tài)分析結(jié)果Tab.5 The modal analysis results of frame forging hydraulic machine

圖6(a)為1階振型,主要是液壓機(jī)發(fā)生左右偏載時(shí)的受力振型;圖6(b)為2階振型,主要是液壓機(jī)發(fā)生前后偏載時(shí)的受力振型;圖6(c)為3階振型,主要是液壓機(jī)發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)的受力振型?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)的4、5、6階振型,分別是液壓機(jī)拉桿發(fā)生前后偏載時(shí)的受力振型，液壓機(jī)、拉桿發(fā)生左右偏載時(shí)的受力振型、液壓機(jī)拉桿發(fā)生單側(cè)向偏載時(shí)的受力振型?？蚣苁藉懺煲簤簷C(jī)的固有頻率因拉桿受鍛造載荷及偏載影響,第4階固有頻率和偏移量發(fā)生急速增長(zhǎng)(見表5),前6階固有頻率增長(zhǎng)量為0.28～74.032 Hz。

快速鍛造液壓機(jī)的鍛造次數(shù)為120～180 次/分鐘。每工作一周期,受到2次液壓缸對(duì)機(jī)架沖程的激勵(lì)作用,故激勵(lì)頻率為4～6 Hz。缸動(dòng)式鍛造液壓機(jī)最小固有頻率是激勵(lì)頻率的6.6倍,框架式鍛造液壓機(jī)最小固有頻率是激勵(lì)頻率的2.12倍,故2種液壓機(jī)都不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。兩者比較來看,缸動(dòng)式有關(guān)數(shù)據(jù)較框架式更穩(wěn)定,且更加遠(yuǎn)離發(fā)生共振的激勵(lì)頻率,所以選擇缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)機(jī)架穩(wěn)定性更高。

3 結(jié) 語(yǔ)

2種液壓機(jī)結(jié)構(gòu)的云圖分析表明,靜應(yīng)力主要集中在上橫梁中心、拉桿及立柱上,應(yīng)力變化向四周線性減小。缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)上下機(jī)架可抵消部分偏載力及扭轉(zhuǎn)力。在前6階模態(tài)分析中,缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)固有頻率遠(yuǎn)離共振頻率,且各階固有頻率相對(duì)更為穩(wěn)定。故在50 t小型液壓機(jī)選型上,缸動(dòng)式更優(yōu)。