大型臥式金屬擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的解析研究

王勇勤，張 飛，嚴(yán)興春，韓炳濤，張 君，房志遠(yuǎn)

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030;2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 721000)

0 前言

金屬擠壓成型是利用金屬塑性成形原理進(jìn)行壓力加工的一種優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗的少無切屑加工工藝。在機(jī)械、輕工、航天航空等制造領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。從某種意義上說，擠壓技術(shù)的發(fā)展程度是衡量一個(gè)國家制造業(yè)，甚至工業(yè)現(xiàn)代化水平高低的一個(gè)重要標(biāo)志。金屬擠壓機(jī)作為實(shí)現(xiàn)金屬擠壓加工的最主要設(shè)備，工作時(shí)的安全性和可靠性顯得十分重要。

近年來，技術(shù)人員對金屬擠壓機(jī)的研究十分活躍，儲(chǔ)伯溫［1］系統(tǒng)地介紹了世界范圍內(nèi)鋁擠壓技術(shù)與設(shè)備的最新進(jìn)展，闡述了我國鋁擠壓設(shè)備的現(xiàn)狀及其與國外先進(jìn)水平的差距;張海軍［2］介紹了國內(nèi)外臥式擠壓生產(chǎn)工藝技術(shù)及生產(chǎn)裝備的發(fā)展歷程;王勇［3］利用有限元軟件MSC.Marc建立了36MN鎂擠壓機(jī)扁擠壓筒三維有限元模型，同時(shí)考慮溫度影響，獲得了裝配和工作狀態(tài)下扁擠壓筒應(yīng)力場;石如磐［4］利用MSC.Marc對預(yù)緊和工作載荷下擠壓機(jī)機(jī)架進(jìn)行受力變形分析，得到了機(jī)架變形云圖和壓柱變形規(guī)律;蔣士博［5］就某廠31.5 MN擠壓機(jī)前后橫梁移位的情況，通過空氣動(dòng)力學(xué)分析和計(jì)算，找出了前后橫梁移位的原因并提出了解決方案;楊國義［6］采用自制的、具有鎖緊裝置的液壓頂緊裝置將16 000 kN臥式雙動(dòng)擠壓機(jī)活動(dòng)橫梁復(fù)位后，在裂縫上面、下面和側(cè)面分別采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊和直流弧焊的方法進(jìn)行焊接修理了活動(dòng)橫梁;辜武全［7］簡要闡述了小型四柱液壓機(jī)橫梁的設(shè)計(jì)思想。

就目前研究現(xiàn)狀來看，關(guān)于金屬擠壓機(jī)前、后梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的解析研究較少。這在一定程度上影響了快速而比較準(zhǔn)確地進(jìn)行擠壓機(jī)前、后梁方案的初步設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致了大多數(shù)情況下基本上都采用類比性的設(shè)計(jì)。本文介紹了典型金屬擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將前、后梁、拉桿和立柱聯(lián)成一體進(jìn)行分析與建模，以有限元計(jì)算結(jié)果作為對比驗(yàn)證的依據(jù)并計(jì)算設(shè)計(jì)修正系數(shù)，最終得到擠壓機(jī)主結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

1 大型臥式金屬擠壓機(jī)典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大型臥式金屬擠壓機(jī)通常采用三梁 (前梁、后梁和動(dòng)梁)四柱式結(jié)構(gòu)。250 MN臥式金屬擠壓機(jī)主框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，前后梁內(nèi)部采用箱型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能采用等強(qiáng)度理論，充分考慮材料的利用率，即:使設(shè)備既滿足強(qiáng)度和剛度要求，又不浪費(fèi)材料，符合輕量化設(shè)計(jì)思想。

圖1 250 MN臥式金屬擠壓機(jī)主框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Main framework structure of 250MN horizontal metal extrusion press

在臥式金屬擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中會(huì)遇到很多問題，如為了能夠承受極限工作壓力載荷，最初應(yīng)該如何設(shè)計(jì)前梁和后梁高度H1、H2等尺寸，前后梁內(nèi)部筋板應(yīng)該如何布置及其尺寸取多少合適等問題的順利解決與否直接關(guān)系到設(shè)計(jì)周期的長短。目前，設(shè)備設(shè)計(jì)和分析的研究主要集中在有限元校核和改進(jìn)方面，主結(jié)構(gòu)解析設(shè)計(jì)研究很少，為了解決這個(gè)問題，本文擬將建立描述前、后梁的強(qiáng)度解析模型，為初定大型臥式金屬擠壓機(jī)尺寸提供參考。

2 大型臥式金屬擠壓機(jī)主結(jié)構(gòu)建模

前、后梁的箱體筋板布局結(jié)構(gòu)增加了設(shè)計(jì)計(jì)算的難度，為了簡化分析，將前、后梁沿著具有特殊特性的截面截開 (如圖1所示)，各個(gè)截面的慣性矩不同，由前梁、后梁、立柱和拉桿通過預(yù)緊組合成一體的結(jié)構(gòu)簡化成一個(gè)變截面框架，為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，可以盡可能多分段。

圖2 框架結(jié)構(gòu)等效模型Fig.2 Equivalent model of frame structure

為了計(jì)算上下梁上的最大應(yīng)力，可以將整個(gè)框架進(jìn)一步簡化為一個(gè)封閉剛性受力框架，如圖3所示，將O、T、G三點(diǎn)轉(zhuǎn)換為鉸支點(diǎn)，并引入兩個(gè)未知內(nèi)力矩x1、x2。

x1、x2的值由正則方程確定。

圖3 等效封閉剛性受力框架Fig.3 Equivalent close rigidity stress frame

其中正則方程的六個(gè)系數(shù)按照維利沙金法則確定:

將這六個(gè)系數(shù)帶入正則方程，計(jì)算出x1和x2為

3 計(jì)算結(jié)果分析

250 MN臥式金屬擠壓機(jī)的設(shè)備及力能參數(shù)見表1，將其帶入式 (1)～式 (7)得x1=+1.9203×109，x2= －7.8938×1010。

表1 250 MN擠壓機(jī)各參數(shù)的數(shù)值Tab.1 Parameters of 250 MN horizontal metal extrusion press

根據(jù)前、后梁框架的受力及內(nèi)力矩x1、x2的大小，分別畫出前、后梁的彎矩圖，如圖4所示。根據(jù)彎曲應(yīng)力公式計(jì)算變截面梁上各處應(yīng)力，如圖5所示，上下梁應(yīng)力最大處都在上下梁的中間部位，上梁的最大應(yīng)力為44.4 MPa，下梁的最大應(yīng)力為26.1 MPa，將解析方法算出來的最大應(yīng)力與有限元算出來的結(jié)果進(jìn)行對比，即可確定修正系數(shù)K的值，如表2所示;此外，按照同樣的方法，表2中還列出了225 MN、125 MN兩種大型金屬擠壓機(jī)長度方向及寬度方向的解析及有限元計(jì)算結(jié)果。

由表2三種型號(hào)的擠壓機(jī)結(jié)果比較可知，前梁的應(yīng)力修正系數(shù)范圍為1.5～3，后梁的應(yīng)力修正系數(shù)為2～3.5(225 MN前梁應(yīng)力修正系數(shù)達(dá)到4.73，這是由于邊缸壓迫上面板，在上面板形成的局部較大的拉應(yīng)力所致)。

圖4 前后梁彎矩圖Fig.4 Equivalent close rigidity stress frame

圖5 前后梁應(yīng)力圖Fig.5 Equivalent close rigidity stress frame

表2 三種擠壓機(jī)機(jī)架前后梁單向拉應(yīng)力比較Tab.2 One-way pulling stress of front and rear platens on three extrusion press frameworks

4 結(jié)論

本文將大型臥式金屬擠壓機(jī)前梁、后梁、拉桿和立柱組成框架結(jié)構(gòu)，通過建立正則方程聯(lián)立求解等效封閉變截面受力框架附加彎矩及彎矩分布，以有限元計(jì)算結(jié)果為參考進(jìn)行修正前、后梁的解析模型，前梁的應(yīng)力修正系數(shù)范圍為1.5～3，后梁的應(yīng)力修正系數(shù)為2～3.5。依據(jù)這一結(jié)論，在同類擠壓機(jī)的方案設(shè)計(jì)時(shí)，便可以利用解析法快速且比較準(zhǔn)確地確定上下梁的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí)也為擠壓機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。在上述研究的基礎(chǔ)上作者編制了大型金屬擠壓機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用此平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)，為企業(yè)在擠壓機(jī)的方案設(shè)計(jì)、快速報(bào)價(jià)等方面提供了有力的技術(shù)支撐。

［1］儲(chǔ)伯溫，權(quán)曉惠，陳世雄.鋁擠壓機(jī)的技術(shù)進(jìn)展［J］.有色金屬加工，2002，31(4):25－32.

［2］張海軍，姜素云.鋼管臥式擠壓生產(chǎn)技術(shù)和裝備的發(fā)展 ［J］.鋼管，2011(2):39－44.

［3］王勇，王麗薇，石如磐，等.36 MN鎂擠壓機(jī)扁擠壓筒設(shè)計(jì) ［J］.鍛壓技術(shù)，2011，36(10):163－165.

［4］石如磐，王勇，王麗薇.36 MN預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)擠壓機(jī)機(jī)架變形分析 ［J］.鍛壓技術(shù)，2011，36(4):100－103.

［5］蔣士博，劉旭，劉捷.3 150 T擠壓機(jī)前后橫梁移位事故分析及改進(jìn) ［J］.冶金設(shè)備，2010(1):58－60.

［6］楊國義.16 000 kN臥式雙動(dòng)擠壓機(jī)活動(dòng)橫梁修理［J］.鍛壓技術(shù)，2010(1).

［7］辜武全.1 500 kN四柱液壓機(jī)橫梁的設(shè)計(jì) ［A］.第四屆十三省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會(huì)科技論壇暨2008海南機(jī)械科技論壇，2008:682－685.