連續(xù)壓機(jī)活動(dòng)式機(jī)架變形與熱力耦合特性研究?

陳光偉 李艷娜 花 軍 陳相宇 林送峰

（1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040； 2.黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150080）

1 連續(xù)壓機(jī)高壓段活動(dòng)式機(jī)架結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于連續(xù)平壓式熱壓機(jī)（以下簡(jiǎn)稱連續(xù)壓機(jī)），機(jī)架是其重要的構(gòu)成部分之一。由于連續(xù)壓機(jī)在長(zhǎng)度方向需要擬合人造板生產(chǎn)的壓力曲線，因而處于不同區(qū)段的機(jī)架其承載不同[1]。熱壓過(guò)程中不同區(qū)段板坯狀態(tài)和內(nèi)部蒸汽壓力各不相同，對(duì)熱壓過(guò)程中溫度和熱量有著不同的要求[2]。熱壓壓力及溫度對(duì)人造板生產(chǎn)過(guò)程的影響相互制約、又相互依存，因此在生產(chǎn)過(guò)程的工藝調(diào)整時(shí)需要進(jìn)行統(tǒng)一分析。但是在連續(xù)壓機(jī)的高壓段，該段內(nèi)機(jī)架不僅所受的載荷最大，而且所處的環(huán)境溫度也最高[3-4]。因此，綜合考慮熱力耦合效應(yīng)對(duì)高壓段機(jī)架所造成的影響，對(duì)連續(xù)壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中的合理使用都有實(shí)際意義。

本文分析熱力耦合效應(yīng)對(duì)連續(xù)壓機(jī)高壓段機(jī)架產(chǎn)生的影響，所針對(duì)的是一種可活動(dòng)式機(jī)架，在CPS型壓機(jī)機(jī)架基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖1所示，設(shè)計(jì)的活動(dòng)式機(jī)架主體結(jié)構(gòu)由上、下橫梁2、11與左、右兩側(cè)的立柱5構(gòu)成，立柱與上下橫梁間通過(guò)銷柱12鉸接。立柱上端安裝主油缸1，主油缸下端與上橫梁連接，上熱壓板4通過(guò)上隔熱板3安裝于上橫梁的下邊緣；下橫梁的上邊緣與支撐座9相連，支撐座中部安裝5個(gè)差動(dòng)油缸10，支撐座兩側(cè)與下隔熱板8相連，差動(dòng)油缸與下隔熱板之上安裝下熱壓板7。壓機(jī)工作時(shí)，通過(guò)主油缸帶動(dòng)上橫梁運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)上、下熱壓板之間的距離，通過(guò)差動(dòng)油缸輸出不同的支撐力使熱壓板彎曲變形，從而使板坯由中間向兩側(cè)排氣；同時(shí)要求橫梁具有較高的剛度，在對(duì)板坯6熱壓時(shí)變形量要小，以此保證上熱壓板的平直。

圖1 活動(dòng)式機(jī)架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of movable frame

本文所設(shè)計(jì)的活動(dòng)式機(jī)架采用多塊框板組合而成，比一般的框式機(jī)架結(jié)構(gòu)具有更好的橫向剛度，同時(shí)解決了壓機(jī)側(cè)面空間的敞開(kāi)問(wèn)題，能提高生產(chǎn)精度及使用壽命，同時(shí)為維護(hù)、保養(yǎng)和修理工作帶來(lái)方便。一般連續(xù)壓機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)架結(jié)構(gòu)參數(shù)主要依靠經(jīng)驗(yàn)確定[5]，連續(xù)壓機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸較大，結(jié)構(gòu)參數(shù)選取合理與否決定制造成本的高低，合理選取結(jié)構(gòu)參數(shù)可節(jié)省材料消耗，降低生產(chǎn)成本。

2 連續(xù)壓機(jī)高壓段活動(dòng)式機(jī)架受力變形分析

2.1 活動(dòng)式機(jī)架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)人造板生產(chǎn)熱壓工藝可知，連續(xù)壓機(jī)入口段因板坯壓制產(chǎn)生的變形量大、反彈力大，因而所需壓力最高，故也稱之為高壓段，采用連續(xù)壓機(jī)生產(chǎn)纖維板或刨花板時(shí)，高壓段的壓力受原料樹(shù)種、板坯含水率以及板材的壓制密度與厚度等多種因素影響，通常情況下其最大面壓不超過(guò)5 MPa[6]；因此，在該活動(dòng)式機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中取設(shè)計(jì)面壓為5 MPa。

人造板生產(chǎn)中，板坯進(jìn)入連續(xù)壓機(jī)入口段（即高壓段）后需要高溫加熱，以使熱量快速向板坯內(nèi)部傳遞，促使膠液流動(dòng)與固化；但熱壓板的實(shí)際加熱溫度受板坯含水率、生產(chǎn)板材的厚度及膠種等影響[7]。從現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)情況看，目前采用連續(xù)壓機(jī)生產(chǎn)人造板時(shí)多采取高溫加熱板坯的方式，高壓段用于加熱熱壓板的導(dǎo)熱油溫度最高可達(dá)240 ℃左右，熱壓板、鋼帶的加熱溫度可達(dá)220～230 ℃[8]；由此，在后續(xù)熱效應(yīng)分析中取熱源溫度為230 ℃。

該活動(dòng)式機(jī)架設(shè)計(jì)加工幅寬為9英尺（2 750 mm）的人造板，因熱壓板邊緣還需安裝熱油管道、管道支架等附件，需對(duì)熱壓板安裝面尺寸進(jìn)行擴(kuò)大[9]，因此取機(jī)架上、下橫梁熱壓板安裝面寬度C為3 200 mm?？紤]機(jī)架橫梁兩側(cè)的加工圓角尺寸及立柱的安裝尺寸，取橫梁與立柱鉸接點(diǎn)水平距離L為4 100 mm。另外，連續(xù)壓機(jī)不同區(qū)段機(jī)架間距各不相同，因連續(xù)壓機(jī)高壓段所承受的載荷較大，對(duì)該區(qū)段機(jī)架具有較大的承載能力和剛度等要求，因此機(jī)架間距不宜過(guò)大[10]，取機(jī)架間距為1 050 mm。

2.2 活動(dòng)式機(jī)架的變形量計(jì)算

2.2.1 機(jī)架受力狀況

若不考慮機(jī)架中可移動(dòng)部分的重力，根據(jù)前述活動(dòng)式機(jī)架的設(shè)計(jì)面壓、熱壓板幅寬及機(jī)架間距等參數(shù)，計(jì)算機(jī)架工作中所需承受的總壓力F（均布載荷）為：F=5.0×106×3.2×1.05=1.68×107N。

因該機(jī)架的上下橫梁各由兩塊框板組合而成（見(jiàn)圖1中機(jī)架的側(cè)視圖），故上橫梁?jiǎn)我豢虬逅艿淖畲髩毫max為8.4×106N；下橫梁共布置5個(gè)差動(dòng)油缸和2個(gè)固定支撐，可視為受7個(gè)集中載荷作用，載荷大小為Fmax的1/7，為1.2×106N。根據(jù)文獻(xiàn)[11]對(duì)壓力機(jī)框架受力分析方法，取上下橫梁與左右立柱的四個(gè)鉸接點(diǎn)為框架節(jié)點(diǎn)，下橫梁兩端與立柱上端為固定端，并結(jié)合機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸，將機(jī)架各部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為梁形式，以線型梁架結(jié)構(gòu)繪制機(jī)架的受力與變形簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 活動(dòng)式機(jī)架的受力與變形簡(jiǎn)圖（虛線表示橫梁的變形）Fig.2 The stress and deformation of movable frame(dotted line represents the deformation of the beam)

由圖2可見(jiàn)，因該活動(dòng)式機(jī)架具有4個(gè)活動(dòng)鉸接點(diǎn)，其受力變形狀況與由整塊鋼板加工而成的框片式機(jī)架有很大的不同；活動(dòng)式機(jī)架僅上、下橫梁因受載荷作用會(huì)發(fā)生彎曲變形，但左右立柱僅受拉力作用，不存在彎矩，因此不會(huì)發(fā)生向內(nèi)側(cè)彎曲。

2.2.2 機(jī)架的變形量計(jì)算

1）立柱結(jié)構(gòu)尺寸的確定。如前所述，因活動(dòng)式機(jī)架的立柱僅受拉力作用，故其應(yīng)力σ可用材料力學(xué)中拉桿受力公式直接計(jì)算[12]，為：

式中，F(xiàn)H為橫梁所受拉力，因每段機(jī)架包含4個(gè)橫梁，故FH=Fmax/2；A為材料截面面積，A=B×d（B為截面寬度,mm；d為截面厚度，設(shè)計(jì)時(shí)取80 mm）；σa為材料的許用應(yīng)力,MPa。

若機(jī)架材料選用Q235b鋼板，其許用應(yīng)力σa為235 MPa，代入式（1）計(jì)算寬度B為：

即立柱最小截面寬度不應(yīng)低于223 mm。設(shè)計(jì)該活動(dòng)式機(jī)架的立柱結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到立柱頂端需安裝主油缸等部件，取最小截面寬度B為380 mm，約為限定值的1.7倍，故可以滿足機(jī)架的使用要求。

2）上橫梁的變形量計(jì)算。由圖2可見(jiàn)，機(jī)架上橫梁兩端為活動(dòng)鉸接，構(gòu)成對(duì)稱簡(jiǎn)支梁，梁中部受均布載荷Fmax/C作用，位置尺寸包括：L=4 100 mm、C=3 200 mm。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，上橫梁的最大撓度發(fā)生在中點(diǎn)處[13]，最大位移量δC為：

式中，E為彈性模量,Pa；I為上橫梁截面的二次矩，m4。

將機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)帶入式（2），得上橫梁最大變形：

3）下橫梁的變形量計(jì)算。由機(jī)架受力狀況分析，支撐座受下橫梁支撐，與下橫梁緊密接觸，在橫梁受力分析時(shí)將支撐座視為簡(jiǎn)支梁，受下橫梁支點(diǎn)反力Fa作用，差動(dòng)油缸壓力轉(zhuǎn)化為均布載荷Fmax/C作用，下橫梁受力相應(yīng)可視為在C范圍內(nèi)受均布載荷Fmax/C和在C距離上分別作用一個(gè)Fb/2的集中載荷，且下橫梁最大撓度δD發(fā)生在中點(diǎn)處，下橫梁受力變形簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 下橫梁受力與變形圖Fig.3 The stress and deformation of beneath beam

下橫梁受力后變形δD為[14]：

支撐座受力后變形δd為：

式中，Ib為支撐座截面的二次矩，支撐座高度取下橫梁高度的1/8，Ib=I/512，m4

將式（3）、（4）帶入變形協(xié)調(diào)條件δD/L=δd/C可知[15]：

將Fmax及下橫梁位置尺寸帶入式（5）中得Fb=3.246×106N，帶入式（3）求解δD為：

4）活動(dòng)式機(jī)架橫梁總變形量計(jì)算及橫梁高度尺寸確定。由計(jì)算所得的活動(dòng)式機(jī)架上、下橫梁變形量δC與δD，可知機(jī)架總變形δ為：

依據(jù)材料力學(xué)截面圖形幾何性質(zhì)，矩形截面的二次矩I表達(dá)式為[16]：

式中：d為矩形截面的厚度，m；h為矩形截面的高度，m。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]關(guān)于液壓機(jī)械橫梁幾何精度的相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計(jì)中上、下橫梁的總彎曲變形允許值為0.24/1 000 mm，結(jié)合本文中機(jī)架橫梁長(zhǎng)度L=4 100 mm，上、下橫梁最大總變形δ=0.984 mm。結(jié)合式（6）與（7），有：

橫梁材料彈性模量E為2.05×1011Pa，橫梁厚度d取80 mm，將以上數(shù)值代入式（8），計(jì)算得出上下橫梁最小高度h應(yīng)大于2 383 mm。對(duì)于連續(xù)壓機(jī)這類壓力機(jī)械而言，因其在工作中所受載荷為長(zhǎng)期持續(xù)性加載，除橫梁變形外，油缸、熱壓板等部件也會(huì)產(chǎn)生微小變形[17]。為此，將橫梁最小高度尺寸h擴(kuò)大圓整為2 500 mm；另?yè)?jù)前述計(jì)算可知，上、下橫梁在載荷作用下產(chǎn)生的變形量基本相等，因此設(shè)置上、下橫梁最小高度均為1 250 mm。

3 連續(xù)壓機(jī)高壓段活動(dòng)式機(jī)架熱力耦合分析

3.1 活動(dòng)式機(jī)架熱力耦合模型建立

根據(jù)圖4中活動(dòng)式機(jī)架各零部件尺寸，利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，將模型導(dǎo)入Hypermesh軟件，建立機(jī)架的熱力耦合分析模型。采用映射網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)該模型進(jìn)行高精度網(wǎng)格劃分，熱分析采用solid70三維實(shí)體熱單元，結(jié)構(gòu)分析采用solid185三維8節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，機(jī)架各部分結(jié)合面處用公共節(jié)點(diǎn)連接；對(duì)機(jī)架共劃分出213 800個(gè)單元，298 337個(gè)節(jié)點(diǎn)。

定義機(jī)架材料屬性：活動(dòng)式機(jī)架主體由Q235b碳素結(jié)構(gòu)鋼板焊接而成，主油缸缸體及柱塞分別由HT300及45鋼制成，隔熱板與銷柱使用的材料分別為YC200（非金屬?gòu)?fù)合材料）與35鋼。各材料具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 活動(dòng)式機(jī)架各部分材料屬性Tab.1 Material properties of each part of movable frame

定義載荷及邊界條件：活動(dòng)式機(jī)架熱量傳遞形式以傳導(dǎo)換熱為主，對(duì)流換熱及輻射換熱次之。機(jī)架所處環(huán)境溫度設(shè)定為35 ℃，設(shè)置為環(huán)境熱載邊界條件；熱壓機(jī)工作時(shí)機(jī)架隔熱板與熱壓板接觸，熱壓板溫度（熱源）為230 ℃，因此隔熱板表面溫度也設(shè)定為230 ℃，并作為外熱載邊界條件；機(jī)架各部件結(jié)合面處通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)定義熱傳導(dǎo)，根據(jù)文獻(xiàn)[18]提出的物體對(duì)流和輻射組合表面換熱系數(shù)計(jì)算方法，確定機(jī)架表面換熱系數(shù)為h=10 W/m2.℃；下橫梁底面設(shè)置為固定位移約束，根據(jù)活動(dòng)式機(jī)架橫向壓力分布，設(shè)置上隔熱板表面所受均布載荷為2 625 kN/m（即Fmax/C的值），下隔熱板表面及支撐座共有7個(gè)集中載荷作用，取值為1 200 kN。

3.2 活動(dòng)式機(jī)架熱力耦合效應(yīng)分析

3.2.1 機(jī)架溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力分析

采用ANSYS軟件分析活動(dòng)式機(jī)架在熱載荷作用下的溫度場(chǎng)分布及產(chǎn)生的熱應(yīng)力，求解得出其溫度場(chǎng)分布與熱應(yīng)力分布，分別如圖4a和圖4b所示。

圖4 活動(dòng)式機(jī)架溫度場(chǎng)分析結(jié)果Fig.4 Temperature field analysis of movable frame

根據(jù)溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力分布云圖可以看出，因連續(xù)壓機(jī)工作時(shí)隔熱板與熱壓板長(zhǎng)期接觸，機(jī)架中溫度較高的區(qū)域主要集中于上、下隔熱板處。溫度分布特點(diǎn)是：隔熱板與熱壓板的接觸面（圖4a中黑色區(qū)域）溫度最高為230 ℃，之后熱量向上下橫梁擴(kuò)散，但擴(kuò)散區(qū)域很小、溫度降低很快，至熱量擴(kuò)散的邊緣（圖4a中淺灰色區(qū)域）溫度已降至50 ℃左右，而上下橫梁主體溫度大部分保持在環(huán)境溫度35 ℃左右（圖4a中灰色區(qū)域）。機(jī)架中上橫梁與下橫梁支撐座溫度梯度最大，因而產(chǎn)生的熱應(yīng)力也最大；熱應(yīng)力最大區(qū)域?yàn)樯蠙M梁中部及下橫梁與支撐座結(jié)合處（圖4b中黑色區(qū)域），最大值約為34.2 MPa。

3.2.2 機(jī)架熱力耦合綜合效應(yīng)分析

利用ANSYS軟件，分析熱力耦合綜合效應(yīng)下活動(dòng)式機(jī)架的應(yīng)力與應(yīng)變分布情況，結(jié)果見(jiàn)圖5；其中，圖5a為熱力耦合效應(yīng)下應(yīng)力分布圖，圖5b為應(yīng)變分布圖。

圖5 活動(dòng)式機(jī)架熱力耦合分析結(jié)果Fig.5 Thermal mechanical coupling analysis of movable frame

由圖5可見(jiàn)，機(jī)架在熱力耦合效應(yīng)下最大等效應(yīng)力約為173 MPa（圖5a中黑色區(qū)域），最大應(yīng)變約為1.585%（圖5b中黑色區(qū)域），兩者均出現(xiàn)在上橫梁頂端中部。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：一是機(jī)架為對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，所受載荷也對(duì)稱分布，因此應(yīng)力、應(yīng)變集中點(diǎn)必然出現(xiàn)在機(jī)架中間部位。二是機(jī)架上橫梁為靜定結(jié)構(gòu)，下橫梁為超靜定結(jié)構(gòu)，存在附加力偶，具有減小結(jié)構(gòu)變形的作用，因此在載荷作用下上橫梁變形以及應(yīng)力與應(yīng)變必然大于下橫梁。三是若以主油缸與上橫梁連接處作為固定點(diǎn)，由上橫梁所受的均布載荷形成的力矩會(huì)使其發(fā)生凸起變形，因而在上橫梁頂端產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變必然最大。此外，由圖4b所示的熱應(yīng)力分布圖可見(jiàn)，上橫梁中存在大面積的高應(yīng)力區(qū)，會(huì)使得上橫梁發(fā)生水平延展[19]，這又會(huì)進(jìn)一步加大其頂端的變形與應(yīng)力、應(yīng)變。

對(duì)比分析靜載作用下活動(dòng)式機(jī)架的應(yīng)力與應(yīng)變情況。為此，依然采用ANSYS軟件分析活動(dòng)式機(jī)架僅在靜載條件（即不考慮熱效應(yīng)）下的應(yīng)力與應(yīng)變分布，結(jié)果如圖6所示。

圖6a所示為僅在靜載作用下活動(dòng)式機(jī)架的應(yīng)力分布，其最大等效應(yīng)力為151 MPa；圖6b所示為機(jī)架的應(yīng)變分布，最大應(yīng)變?yōu)?.265%；但最大等效應(yīng)力與應(yīng)變的位置與圖5相比出現(xiàn)了變化，是發(fā)生在主油缸與上橫梁相連接的固定點(diǎn)內(nèi)側(cè)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，當(dāng)僅考慮靜力作用時(shí)，該處所受的彎矩最大，因而產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變必然較大。圖6中，雖然在上橫梁上部中間位置也存在較大的應(yīng)力（133 MPa）與應(yīng)變（1.126%），但與熱力耦合綜合效應(yīng)分析結(jié)果對(duì)比，還是存在較大的差異。

圖6 活動(dòng)式機(jī)架靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.6 Static load analysis of movable frame

以上分析結(jié)果表明：對(duì)于該活動(dòng)式機(jī)架而言，熱力耦合效應(yīng)對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的變形及其應(yīng)力、應(yīng)變狀況的影響比較顯著。其一方面造成了機(jī)架最大應(yīng)力、應(yīng)變位置的變化，另一方面，就兩者的最大應(yīng)力、應(yīng)變值相比較，增幅分別為14.57%和25.30%。此外，就熱力耦合綜合效應(yīng)下機(jī)架上橫梁的最大應(yīng)力值（173 MPa）來(lái)說(shuō)，其已經(jīng)非常接近Q235b材料使用時(shí)所要求的極限180 MPa[20]，這說(shuō)明在機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，若忽略熱效應(yīng)的影響，可能會(huì)使機(jī)架強(qiáng)度不夠，影響生產(chǎn)精度，甚至發(fā)生疲勞破壞。

4 結(jié)論

介紹了應(yīng)用于連續(xù)平壓式熱壓機(jī)的活動(dòng)式機(jī)架各部組成及其結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)機(jī)架主要構(gòu)件的受載變形求解，確定了機(jī)架立柱與上、下橫梁合理的結(jié)構(gòu)尺寸，在滿足使用要求基礎(chǔ)上，可節(jié)省制造材料，節(jié)約生產(chǎn)成本。

以連續(xù)壓機(jī)高壓段的熱壓工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，建立了活動(dòng)式機(jī)架的熱力耦合效應(yīng)分析模型，對(duì)活動(dòng)式機(jī)架溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，得出機(jī)架的熱應(yīng)力分布狀況。通過(guò)求解熱力耦合效應(yīng)與靜載作用下活動(dòng)式機(jī)架的應(yīng)力與應(yīng)變分布，對(duì)比分析機(jī)架的最大應(yīng)力、應(yīng)變的數(shù)值與位置變化情況。結(jié)果表明：熱力耦合效應(yīng)會(huì)對(duì)機(jī)架的綜合性能產(chǎn)生較大影響，在機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不應(yīng)忽略。

熱力耦合分析表明：活動(dòng)式機(jī)架上存在明顯的溫度梯度，熱量由隔熱板與熱壓板的接觸面向上下橫梁擴(kuò)散，該試驗(yàn)條件下，熱力耦合效應(yīng)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力約為173 MPa，最大應(yīng)變約為1.585%，最大熱力耦合應(yīng)力應(yīng)變均出現(xiàn)在上橫梁頂端中部，為活動(dòng)式機(jī)架結(jié)構(gòu)性能的薄弱環(huán)節(jié)，在后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。