壓縮油桶壓力機機身的靜力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 穎

（晉能控股裝備制造集團(tuán)中央機廠環(huán)保中心，山西 大同 037001）

引言

隨著我國工業(yè)技術(shù)水平的提高，壓力機在汽車、航天、家電、石油化工等行業(yè)被廣泛應(yīng)用。油桶是進(jìn)行油品等液體存放的容器，對于油品的存放具有較大的便利性，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。在油桶的壓縮制作過程中，需要采用壓力機進(jìn)行生產(chǎn)，壓力機具有工作平穩(wěn)，生產(chǎn)精度高的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)快速自動化的作業(yè)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，高速度、高柔性的壓力機對提高油桶的生產(chǎn)效率具有極大的幫助，能夠滿足油桶大批量的生產(chǎn)需求[1]。高速壓力機在運行的過程中，由于工作轉(zhuǎn)速快，對于壓力機自身的性能及模具具有較高的要求。采用有限元分析的方式，對高速壓力機機身的靜力學(xué)性能進(jìn)行分析，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，從而提高壓力機的性能，滿足高速壓力機的高效運轉(zhuǎn)需求[2]。

1 壓力機機身模型的建立

機身是高速壓力機的重要組成部分，機身的靜力學(xué)及動力學(xué)性能對于油桶生產(chǎn)過程中的精度及壓力機自身的使用壽命具有重要的影響。高速壓力機的速度高，動作速度快，對機身的結(jié)構(gòu)具有較高的要求。機身作為主要的支撐部件，承載壓力機運行過程中產(chǎn)生的工作力，合理的機身結(jié)構(gòu)對于保證壓力機的使用性能及生產(chǎn)制造都有重要的影響。

采用ANSYS Workbench 對壓力機機身的靜力學(xué)性能進(jìn)行分析，首先要建立分析的有限元模型，采用三維建模軟件SolidWorks 進(jìn)行機身三維模型的建立。在進(jìn)行建模的過程中，對機身結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡化處理，對不影響機身強度、剛度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化及省略，對機身結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行裝配[3]，得到壓力機機身的裝配模型如圖1 所示。

圖1 壓力機機身模型

對于建立的壓力機機身模型，將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中，采用四面體網(wǎng)格的形式對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，在機身的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化處理，得到機身的網(wǎng)格劃分模型。對機身使用的材質(zhì)進(jìn)行設(shè)定，上橫梁的材質(zhì)設(shè)定為Q235A，下橫梁及立柱的材質(zhì)設(shè)定為HT300，模型通過裝配體的形式導(dǎo)入，可自行識別零部件的接觸[4]。

對模型的載荷進(jìn)行分析，所分析的壓力機的公稱力為2 000 kN，平均作用在四個拉緊螺桿上，機身在運行過程中，承受兩個方向的載荷作用，一個是通過曲軸作用于支撐孔上的豎直向上的作用力，另一個是作用在工作臺表面上的豎直向下的作用力，在橫梁的位置處施加相應(yīng)的均布載荷，并考慮機身自身的重力載荷，壓力機通過地腳螺釘進(jìn)行固定，設(shè)定底座與地面為固定約束，對機身進(jìn)行靜力學(xué)性能分析[5]。

2 壓力機機身靜力學(xué)性能的仿真分析

對所建立的有限元模型進(jìn)行分析，得到機身的應(yīng)力應(yīng)變分布分別見下頁圖2、圖3。從圖2 可以看出，壓力機機身的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在上橫梁和螺栓的連接處，此時的最大值為156.7 MPa，超出了材料的許用應(yīng)力，上橫梁的其他位置處應(yīng)力值均比較小，由此可對橫梁與螺栓連接位置處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加連接板的厚度，從而減小應(yīng)力集中的現(xiàn)象；底座及立柱位置處的等效應(yīng)力值較小，小于材料的許用應(yīng)力，且應(yīng)力的分布較為均勻，沒有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，符合結(jié)構(gòu)的強度需求[6]。同時，在上橫梁、立柱及底座整體上的應(yīng)力分布較小，可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的輕型化設(shè)計，從而減輕機身的重量。從圖3 可以看出，機身個位置處的等效應(yīng)變值較小，且分布較為均勻。

圖2 壓力機機身的應(yīng)力（MPa）分布

圖3 壓力機機身的應(yīng)變分布

圖4 為壓力機機身的變形分布圖，可以看出，機身豎直方向的最大變形量為0.46 mm，最大變形的位置位于拉緊螺栓上。上橫梁的最大變形出現(xiàn)在曲軸孔位置處，底座豎直方向的最大變形量為0.17 mm。依據(jù)高速壓力機的變形量設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，所分析的機身在豎直方向上的變形量應(yīng)小于0.25 mm，機身的變形量符合設(shè)計要求。

圖4 壓力機機身的變形（mm）分布

壓力機的機身上橫梁和拉緊螺栓連接的位置處存在著一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，通過增加連接板的厚度可以優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中；其余位置處的機身應(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)變較小，變形量較小，符合設(shè)計的要求，壓力機機身的結(jié)構(gòu)滿足強度和剛度的要求。同時，機身的上橫梁、立柱及底座整體的應(yīng)力值較小，可以對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，減輕機身的重量，從而可以降低機身的制造成本，提高壓力機的使用范圍。

3 結(jié)論

機身作為壓力機的主要支撐部件，其自身的靜力學(xué)性能對于壓力機的使用具有重要的影響。采用ANSYS Workbench 有限元分析的方式對壓力機機身的靜力學(xué)性能進(jìn)行分析，建立了機身結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)壓力機的運行狀態(tài)施加相應(yīng)的載荷作用及約束。通過仿真分析可知，機身上橫梁和拉緊螺栓連接的位置處存在著一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，需增加連接板的厚度，機身的上橫梁、立柱及底座整體的應(yīng)力值及變形量較小，可對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的輕型化設(shè)計，從而更好地提升壓力機的性能，提高壓力機的使用范圍。