壓磚機的裝機架設計及優(yōu)化

周性聰 楊金輝 鄧耀順

摘 要：裝機架是大型陶瓷液壓自動壓磚機（以下簡稱壓磚機）在使用現(xiàn)場組裝時的裝配設備，用作動梁油缸副的組裝。裝配設備的強度及可靠性，關系到壓磚機的裝配質量和操作人員的人身安全。完善的裝配工裝有助于大型壓磚機的拆裝運輸，可降低路橋運輸壓力，擴寬了大型壓磚機的設計思路。本文分別從理論計算、有限元分析探討了裝配設備的設計和優(yōu)化方法。實踐證明，本文的設計優(yōu)化方法對裝配設備的設計具有指導意義。

關鍵詞：有限元仿真；裝配設備；結構設計

1 前言

近年來，人們對大規(guī)格陶瓷磚產(chǎn)品的需求量劇增，使得大型壓磚機，尤其是寬臺面的大型壓磚機一直受到追捧，已逐漸成為今后國內建筑陶瓷市場的一大需求熱點[1]。大規(guī)格陶瓷磚的生產(chǎn)，要求壓磚機提供更高壓制力、較大的壓制面積。促使壓磚機往更大型的方向發(fā)展，相應的零部件重量也跟著不斷增大。以恒力泰的YP7200L型壓磚機為例，其主機重量約為186.5t，動梁油缸副重量約為30t[2]。

大型壓磚機龐大的重量，使得路橋運輸面臨十分嚴峻的挑戰(zhàn)。把壓磚機拆分運輸至用戶現(xiàn)場裝配成為日后發(fā)展的必然趨勢。由于壓磚機的現(xiàn)場裝配受到場地環(huán)境、地表質量等諸多不確定因素的影響，大型零部件的裝配難度大幅提高。所以現(xiàn)場裝配時使用的裝配設備必須有很高的強度和可靠性。

本文分別從理論計算設計、有限元分析等方面，對YP7200L壓磚機的動梁油缸副現(xiàn)場裝機架進行設計及優(yōu)化。

2 裝機架結構概述及工況分析

根據(jù)壓磚機基礎的設計要求，壓磚機前方有一堵高達地表的水泥墻，壓磚機至水泥墻之間需要留空，水泥墻外面并沒有對地表質量提出詳細要求。一般水泥墻外面是堆土層加薄水泥地面，并不具備承受高壓強的能力。所以裝機架以水泥墻頂部及壓磚機底座上平面作為主要的支撐位置。圖1為裝機架的工況示意圖。

3 裝機架結構的確定及力學模型的建立

考慮到裝機架主要起到支撐和導向作用，在使用過程中承受彎矩為主。而對于整體機架的各支架橫截面，空心的長方形截面在相同材料情況下能承受更大的彎矩[3]。從充分利用材料的力學性能方面考慮，裝機架的主要材料選用矩形鋼。根據(jù)裝機架使用的環(huán)境，及使用的方便性等因素，決定裝機架采用梁式桁架結構，結構簡圖見圖2，力學模型見圖3。AB段作為主梁承受彎矩，橫截面積為 A1；其余的AC、CD、EC、FD和BD段作為桿件只承受軸向力，各桿橫截面積皆為A。

4 裝機架力學模型的計算

圖3的力學模型為靜不定結構，可用力法求解。將CD桿切開，并以其軸力X1代替節(jié)點C、D之間的約束，得到基本靜力系（圖4）。設基本靜力系在單獨作用下（圖5），切口兩側截面沿X1方向的相對位移為△1p；在單位力1的作用下（圖6），切口兩側截面沿X1方向的相對位移為δ11。由變形協(xié)調條件可知：

△1p+δ11X1=0（1）

E——裝機架材料的彈性模量；

I——主梁橫截面對其中性軸的慣性矩。

把△1p和？啄11代入式（1）可解出：

式（5）的第一項表示載荷p單獨作用下的撓度，第二項表示X1單獨作用下的撓度。

5 機架受力變形計算

YP7200L裝機架方案參數(shù)如下：主梁采用150mm×100mm×8mm矩形鋼；桿件采用50mm×25mm×3mm矩形鋼；p=300kN；a=330mm；E=200GPa；A1=35.8cm2；A=3.9cm2；I=1039.1cm4；W=138.5cm3。

把上述參數(shù)代入式（3）、（4）、（5）可算得：

最大彎矩Mmax=18422.54Nm；

最大彎曲應力？滓max=132.97MPa；

主梁AB中段撓度f=-0.24mm，負號表示方向為豎直向下。

6 有限元分析及優(yōu)化

用有限元分析方法對力學模型理論計算進行校核驗證，由于此結構是對稱結構，故可以只取四分之一模型計算，這樣可以提高計算效率。Solidworks軟件可以方便快捷地實現(xiàn)有限元分析的幾何模型建模、網(wǎng)格劃分、加載、運算和后處理等過程，可以直觀地查看到危險點，運行得出的詳細參數(shù)為實際模型制造提供了改進建議，非常適合機械工程設計人員使用[4]。因此，本次計算采用SolidWorks2007 Cosmos進行運算。

按實際尺寸建好三維模型后，其有限元分析計算過程如下：

（1） 施加約束條件：在對稱面施加對稱約束，按簡支梁的邊界條件施加中部集中載荷P和端部豎直方向約束；

（2） 劃分網(wǎng)格；

（3） 運行分析；

（4） 后處理，其模擬圖如圖7～圖10所示。

通過理論計算和有限元分析，可以分別算出裝機架中部（危險位置）的彎曲應力和撓度，兩者列表對比見表1。可見，有限元分析結果和理論計算結果非常接近。

矩形鋼的材料為Q235-A，屈服強度？滓S=235MPa。對于用作承載用途的裝機架，需要與吊車等起重設備配合使用，不可避免的會導致裝機架局部位置受到瞬間高強度的沖擊。根據(jù)機械設計手冊提供的安全系數(shù)選定條件及推薦值，選定安全系數(shù)S=3～5（按抗不穩(wěn)定計算）。上述方案的安全系數(shù)，未達到設計要求，需要通過有限元優(yōu)化計算來降低最大彎曲應力，提高安全系數(shù)。

從提高材料利用率的角度出發(fā)，并綜合考慮加工、安裝的便利性，經(jīng)過有限元分析校核，優(yōu)化后的模型見圖11。為增強結構的承載能力，裝機架的主梁和桿件全部采用150mm×100mm×8mm矩形鋼，并在主梁上部和兩側連接處焊接20mm厚鋼板。

同樣地，采用四分之一模型，按與前面敘述相同的加載和約束進行分析。分析的第一主應力云圖和變形圖見圖12、圖13。優(yōu)化后，最大彎曲應力減至56.12MPa，安全系數(shù)裝機架的抗彎能力的得到了加強，最大撓度減至-0.11mm。優(yōu)化后，裝機架的強度和剛度均滿足設計要求。

7 結語

本文首先通過理論方法和有限元仿真校核了YP7200L壓磚機裝機架方案的強度與剛度；然后在原設計的基礎上優(yōu)化改進結構；最后再進行結構校核。在“設計—校核—優(yōu)化設計—校核”的過程中，使用有限元分析的方法，不需要繁瑣的理論推導，能帶來很高的分析效率，提高結構設計可靠性，降低意外發(fā)生的風險。

本文對裝機架進行設計及優(yōu)化時，出于最不利受力情況考慮，把裝機架結構設定為上承式的桁架結構，實際上裝機架靠近水泥墻的一邊，可設計成雙梁式的桁架結構。按照優(yōu)化后方案制造出來的裝機架已經(jīng)投入使用，從使用效果來看，本裝機架能很好地滿足現(xiàn)場裝機的需要。

參考文獻

[1] 韋峰山，馮瑞陽，溫怡彰.現(xiàn)代陶瓷液壓壓磚機主機結構的研究

與發(fā)展方向[J].陶瓷，2006（12）：33～38.

[2] 韋峰山，彭滬新.主機結構優(yōu)化的YP7200L型寬體陶瓷壓磚機

[J].陶瓷，2010（10）：32～36.

[3] 成大先，王德夫，姬奎生.機械設計手冊（第5版，第一卷）[M].北

京：化學工業(yè)出版社，2007.11.

[4] 蔣紅斌，陸利鋒，馮乙.SolidWorks2006中文版基礎應用于實例

分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005，9.