800 MN模鍛液壓機(jī)組合預(yù)緊機(jī)架危險(xiǎn)點(diǎn)分析

高 璐，崔明亮，趙石巖，金 淼

(1．燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004;2．中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著高溫合金、高強(qiáng)度合金以及鈦合金的飛速發(fā)展與應(yīng)用，航空、航天、核能工業(yè)中所需要的主要構(gòu)件正向大型整體模鍛和精密模鍛方向發(fā)展［1］。長(zhǎng)期以來(lái)，由于大型模鍛成型設(shè)備能力的限制，我國(guó)重要的大型模鍛件主要依賴進(jìn)口。800 MN模鍛液壓機(jī)的出現(xiàn)，將填補(bǔ)我國(guó)大型鍛壓設(shè)備的空白。

機(jī)架是液壓機(jī)的關(guān)鍵部件之一，工作時(shí)承受著巨大的載荷，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及疲勞性能對(duì)整機(jī)的安全和產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性的影響［2］。機(jī)架的設(shè)計(jì)一般以靜載下強(qiáng)度和剛度條件為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是液壓機(jī)的主要零部件大多是在承受多次交變載荷之后而疲勞破壞的，因此，疲勞壽命分析在液壓機(jī)本體設(shè)計(jì)中具有重要意義。進(jìn)行疲勞壽命分析的首要問(wèn)題是確定機(jī)架破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)，以便確定使用以及實(shí)驗(yàn)中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

本文利用有限元分析軟件MSC.Marc對(duì)800MN模鍛壓機(jī)機(jī)架進(jìn)行分析，確定機(jī)架破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)，為疲勞壽命實(shí)驗(yàn)提供理論論據(jù)。

1 800 MN核鍛液壓機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)

800 MN模鍛液壓機(jī)有正、側(cè)兩組機(jī)架，正面主機(jī)架采用板框組合預(yù)緊結(jié)構(gòu)，如圖1所示。機(jī)架的主要部件包括C形板、十字鍵、夾緊梁與大拉桿。每五塊C形板組成一根立柱，左、右兩根立柱由上、下十字鍵聯(lián)接，再由拉桿和夾緊梁將其預(yù)緊成一體。在主機(jī)架兩側(cè)裝有側(cè)機(jī)架，主要作用是承受前后偏載。

圖1 800 MN模鍛液壓機(jī)機(jī)架三維實(shí)體模型Fig.1 3-D physical model of 800MN die-forging hydraulic press's frame

在安裝時(shí)，通過(guò)螺栓預(yù)緊的方式對(duì)機(jī)架進(jìn)行預(yù)緊，確保機(jī)架不會(huì)開(kāi)縫。加載時(shí)，在機(jī)架上部，載荷通過(guò)上墊板傳遞給C形板，使C形板產(chǎn)生拉伸彎曲變形趨勢(shì)，同時(shí)擠壓上十字鍵，施加了預(yù)緊力的大拉桿通過(guò)夾緊梁的作用，阻礙C形板的變形。如果預(yù)緊參數(shù)不合理，將發(fā)生開(kāi)縫現(xiàn)象，影響接觸面之間的力流傳遞［3，4］，在接觸區(qū)域產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。反復(fù)加載會(huì)導(dǎo)致機(jī)架發(fā)生疲勞破壞，降低機(jī)架使用壽命。

2 有限元模型建立

本文采用UG軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行三維實(shí)體建模，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再通過(guò)MARC軟件數(shù)據(jù)接口調(diào)用三維模型進(jìn)行有限元建模。網(wǎng)格劃分采用了UG的網(wǎng)格自動(dòng)劃分技術(shù)，選擇四節(jié)點(diǎn)四面體單元，并對(duì)C形板圓角、大拉桿根部、十字鍵接觸部位等關(guān)鍵受力部分進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化以提高計(jì)算精度，共劃分單元300240個(gè)，節(jié)點(diǎn)92667個(gè)。

材料屬性定義為線彈性、各向同性且不隨溫度變化，彈性模量E為2.07 GPa，泊松比μ為0.3，密度ρ為7800 kg/m3。C形板與十字鍵、夾緊梁、墊板之間定義接觸面，摩擦系數(shù)設(shè)為0.12。底座下底面節(jié)點(diǎn)施加固定約束。在機(jī)架上部四塊上墊板以及十字鍵中心五個(gè)位置和下部的兩塊下墊板上分別施加工作載荷，其值為800 MN。在外側(cè)拉桿和內(nèi)側(cè)拉桿分別施加95 MN和105 MN的預(yù)緊力。建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model of 800 MN die-forging hydraulic press's frame

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 機(jī)架的整體性

組合結(jié)構(gòu)機(jī)架液壓機(jī)在工作過(guò)程中必須保證機(jī)架各構(gòu)件的結(jié)合面緊密結(jié)合，不出現(xiàn)開(kāi)縫現(xiàn)象，這一特性稱為整體性。液壓機(jī)在承載過(guò)程中，構(gòu)件結(jié)合面若出現(xiàn)開(kāi)縫，卸載后恢復(fù)，必然會(huì)產(chǎn)生撞擊，并將首先在開(kāi)縫處引起局部破壞，進(jìn)而使整個(gè)結(jié)合面逐步失效，出現(xiàn)預(yù)緊松弛等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致液壓機(jī)本體失效［5，6］。

圖3所示為機(jī)架承載后上部和下部構(gòu)件之間的接觸狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明，C形板與上、下十字鍵的接觸部位均未出現(xiàn)開(kāi)縫現(xiàn)象，因此，在中心載荷工況下，外側(cè)拉桿和內(nèi)側(cè)拉桿預(yù)緊力分別為95 MN和105 MN時(shí)，組合機(jī)架的整體性良好。

3.2 危險(xiǎn)點(diǎn)分析

危險(xiǎn)點(diǎn)通常出現(xiàn)在以下三種情況:一是高應(yīng)力區(qū)域，高應(yīng)力區(qū)容易在加載過(guò)程中發(fā)生塑性變形而導(dǎo)致屈服失效;二是應(yīng)力集中區(qū)，反復(fù)加載過(guò)程中應(yīng)力集中容易引發(fā)裂紋萌生，產(chǎn)生疲勞破壞;三是構(gòu)件之間接觸位置，由于聯(lián)接不對(duì)齊或不連續(xù)而導(dǎo)致高應(yīng)力或應(yīng)力集中。

圖4為加載前后機(jī)架等效應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出，高應(yīng)力區(qū)集中在上下橫梁區(qū)域。加載前，立柱幾乎沒(méi)有應(yīng)力，各主要部件之間接觸的部位應(yīng)力較高，主要為壓應(yīng)力;加載后，立柱承受拉應(yīng)力作用，但是應(yīng)力水平仍然較低，而上下橫梁區(qū)域的高應(yīng)力進(jìn)一步加劇，尤其在C形板的各個(gè)凹槽處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

表1給出了加載前后機(jī)架各零部件最大等效應(yīng)力數(shù)值。結(jié)合圖4可知，加載前大拉桿受到預(yù)緊力的作用，主要承受拉應(yīng)力，加載后，C形板向外的擴(kuò)張趨勢(shì)使大拉桿受到的拉應(yīng)力進(jìn)一步增大，大拉桿上的最大應(yīng)力為228 MPa，發(fā)生在螺紋根部，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其材料的屈服強(qiáng)度;夾緊梁上的高應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在其與C形板接觸的棱邊上，主要是由于預(yù)緊過(guò)程中夾緊梁發(fā)生彎曲變形，直角棱邊與C形板產(chǎn)生線接觸引起的高應(yīng)力，加載前后應(yīng)力值變化不大，最高應(yīng)力為257.6 MPa，未超出其屈服極限。上十字鍵的高應(yīng)力也是由于變形產(chǎn)生線接觸引起，C形板發(fā)生彎曲變形，雖然未形成開(kāi)縫，卻引起了應(yīng)力的重新分布，使應(yīng)力集中于遠(yuǎn)離開(kāi)縫趨勢(shì)的一側(cè)，最大應(yīng)力為211.3 MPa，加載前后應(yīng)力波動(dòng)比較大。

表1 加載前后各零部件的最大等效應(yīng)力Table 1 Maximum equivalent stress of each part before and after loading

C形板上的高應(yīng)力區(qū)比較集中，主要分布于各個(gè)缺口處，如圖5所示。加載前后C形板各主要部位的等效應(yīng)力值列于表2。比較加載前后的兩組數(shù)據(jù)，波動(dòng)較小的說(shuō)明高應(yīng)力主要是由于預(yù)緊力作用產(chǎn)生，波動(dòng)大的則可認(rèn)為高應(yīng)力是工作載荷引起的。

圖5 C形板高應(yīng)力區(qū)Fig.5 High stress areas of C-plate

表2 加載前后C形板各處最大等效應(yīng)力 MPaTable 2 Maximum equivalent stress at each point of C-plate before and after loading

由表2可知，C形板與夾緊梁接觸的圓弧過(guò)渡處應(yīng)力值都比較高，最大等效應(yīng)力位于C形板與下夾緊梁接觸的圓角過(guò)渡處，其值為429.3 MPa，加載前此處的應(yīng)力值也較高，為423 MPa，因此，這一高應(yīng)力區(qū)主要是由于施加的預(yù)緊力導(dǎo)致的。C形板與十字鍵接觸的圓弧過(guò)渡處應(yīng)力不大，但其加載前后變化幅度較大，其為154.5 MPa，增幅達(dá)267.9%。在變化幅值較大的應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，容易產(chǎn)生疲勞破壞，亦應(yīng)該引起高度重視。

綜上所述，大拉桿端部退刀槽處，夾緊梁的棱角，上十字鍵與C形板的接觸邊緣以及C形板凹槽等地方，都存在較大的應(yīng)力集中，是降低機(jī)架可靠性的危險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)予以重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

(1)對(duì)800 MN模鍛壓機(jī)組合預(yù)緊機(jī)架進(jìn)行了有限元分析，在給定的預(yù)緊參數(shù)下，機(jī)架未發(fā)生開(kāi)縫現(xiàn)象，整體性良好。

(2)預(yù)緊力和工作載荷均有可能導(dǎo)致機(jī)架局部產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)。

(3)在大拉桿根部、夾緊梁棱角邊、上十字鍵與C形板的接觸邊緣以及C形板凹槽等處為易發(fā)生疲勞破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)在壓機(jī)使用中予以重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

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