電動(dòng)螺旋壓力機(jī)幾種機(jī)身結(jié)構(gòu)的分析與比較

胡 健，王 慧，馮 俊

（揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225104）

1 背景及意義

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)是一種通用性很強(qiáng)的鍛造設(shè)備，既能用于熱鍛，又能用于精鍛、精整；既能適用于局部鐓粗長(zhǎng)桿類(lèi)鍛件，又能適用鈦合金葉片及其他葉片的精密鍛造。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單維護(hù)方便，能耗低，過(guò)載能力強(qiáng)，是應(yīng)用最為廣泛的鍛造設(shè)備之一。螺旋壓力機(jī)除機(jī)身強(qiáng)度外，機(jī)身剛度非常重要。機(jī)身強(qiáng)度決定了設(shè)備適用壽命，機(jī)身剛度則影響了設(shè)備所能發(fā)揮的能量。如果機(jī)身剛度不夠，則在打擊工件過(guò)程中設(shè)備很大一部分能量被床身變形所消耗，用于成型的能量就會(huì)降低。同時(shí)導(dǎo)向板的磨損量會(huì)加大，在一定程度上惡化了滑塊等重要零件的工作條件，影響設(shè)備的可靠性。由于計(jì)算機(jī)軟硬件的快速發(fā)展，有限元分析軟件也大量運(yùn)用于工程機(jī)械的設(shè)計(jì)當(dāng)中。對(duì)于受集中載荷，時(shí)常超載的鍛造設(shè)備而言，前期設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行分析、優(yōu)化十分必要。

為此，本文采用有限元分析軟件，對(duì)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)常見(jiàn)的幾種機(jī)身機(jī)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確分析與比較。

2 結(jié)構(gòu)分析與比較

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)常見(jiàn)的機(jī)身機(jī)構(gòu)有3 種：

（1）鋼板焊接結(jié)構(gòu)整體機(jī)身；

（2）整體鑄鋼結(jié)構(gòu)機(jī)身；

（3）鑄鋼結(jié)構(gòu)分體機(jī)身。

下面以4000kN（400t）電動(dòng)螺旋壓力機(jī)為例，結(jié)合有限元分析軟件逐一進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 焊接結(jié)構(gòu)整體機(jī)身

焊接結(jié)構(gòu)整體機(jī)身避免了分體機(jī)身加工量大、配合面多、精度難以保證等缺點(diǎn)，又避免了鑄鋼件鑄造缺陷多，經(jīng)常需要焊補(bǔ)；夾渣多加工困難；需要制作模型、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。但鋼板焊接機(jī)身變形量相對(duì)鑄鋼結(jié)構(gòu)的變形量要大，主機(jī)消耗在機(jī)身變形上的能量大。下面我們結(jié)合有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較。

載荷施加位置、面積、方式及機(jī)身約束設(shè)置多重多樣，不同的約束方式對(duì)分析結(jié)果有著不小的影響。下面分析過(guò)程中，幾種機(jī)身結(jié)構(gòu)都采用相同的設(shè)置進(jìn)行分析比較。有限元分析結(jié)果如圖1、2、3、4所示。

圖1 機(jī)身應(yīng)力云圖

從圖1 可以看出，機(jī)身最大應(yīng)力為176.9MPa，出現(xiàn)在橫梁下部的承力板上，接近材料的屈服強(qiáng)度。從圖2、圖3、圖4 可以看出機(jī)身最大變形量為0.8mm，底座最大變形量為0.17mm，橫梁承力板最大變形量為0.78mm。機(jī)身重量105kN（10.5t）。

圖2 機(jī)身變形云圖

圖3 橫梁承力板變形云圖

圖4 底座變形云圖

2.2 整體鑄鋼結(jié)構(gòu)機(jī)身

整體鑄鋼結(jié)構(gòu)機(jī)身加工量少，剛度大，無(wú)需拼裝機(jī)身，簡(jiǎn)化了裝配，同時(shí)由于少了立柱與橫梁還有底座的兩個(gè)接觸面，設(shè)備精度更易保證。但是這種結(jié)構(gòu)也有缺點(diǎn)，立柱與底座、橫梁分型面處由于結(jié)構(gòu)原因機(jī)身截面變化較大，應(yīng)力比較集中，在長(zhǎng)期負(fù)載下分型面處特別容易開(kāi)裂，是難以避免的隱患，對(duì)機(jī)身壽命影響較大。有限元分析結(jié)果如圖5、6、7、8 所示。

圖5 機(jī)身應(yīng)力云圖

從圖5 可以看出，機(jī)身最大應(yīng)力為106MPa。從圖6、圖7、圖8 可以看出，機(jī)身最大變形量為0.37mm，橫梁承力部位最大變形量為0.37mm，底座最大變形量為0.17mm。機(jī)身重量106kN（10.6t）。

圖6 機(jī)身變形云圖

圖7 橫梁承力部位變形云圖

圖8 底座變形云圖

通過(guò)對(duì)比可以看出，在機(jī)床重量沒(méi)有增加的情況下，整體鑄鋼機(jī)身無(wú)論是從最大應(yīng)力還是關(guān)鍵部位變形上來(lái)看都要優(yōu)于焊接結(jié)構(gòu)的機(jī)身。

2.3 鑄鋼結(jié)構(gòu)分體機(jī)身

此種結(jié)構(gòu)機(jī)身是靠拉桿來(lái)承受所有工作力，具有剛度大、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，同時(shí)避免了整體鑄鋼機(jī)身易開(kāi)裂的缺點(diǎn)。但是增加的拉桿、拉緊螺母增加了制造成本，同時(shí)加工精度要求也更高，裝配相對(duì)復(fù)雜。有限元分析結(jié)果如圖9、10、11、12 所示。

圖9 機(jī)身應(yīng)力云圖

從圖9 可以看出，機(jī)身拉桿最大應(yīng)力為164MPa。從圖10、圖11、圖12 可以看出，機(jī)身最大變形量為0.32mm，橫梁承力部位最大變形量為0.29mm，底座最大變形量為0.15mm。機(jī)身重量126kN（12.6t）。

圖10 機(jī)身變形云圖

圖11 橫梁承力部位變形云圖

圖12 底座變形云圖

通過(guò)對(duì)比可以看出，此種結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小及變形量與整體鑄鋼機(jī)身相仿，但是機(jī)身重量高于前面二者。

3 總結(jié)

本文通過(guò)有限元分析比較了三種電動(dòng)螺旋壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，為客戶(hù)選擇提供了參考，也為制造商根據(jù)自身制造能力選擇合適的結(jié)構(gòu)提供了參考。同時(shí)也為產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。