一種創(chuàng)新型液壓制磚機(jī)的設(shè)計(jì)

李雄飛，王大勇，陶 佳，譚佳泉，沈懷超

(1.中國(guó)中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116021； 2.大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116021)

0 引言

目前針對(duì)以尾礦、粉煤灰、煤矸石、建筑垃圾、鋼渣等固體廢棄物為原料的大噸位液壓制磚機(jī)市場(chǎng)上主要有2種，一種是福建海源自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備股份有限公司的1 300 t液壓制磚機(jī)，另一種則是河南省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司的1 280 t液壓制磚機(jī)。

福建海源制磚機(jī)由于其結(jié)構(gòu)原因，二次布料只能將基料和面料的料斗以及布料車設(shè)計(jì)于磚機(jī)一側(cè)，導(dǎo)致夾磚框夾磚后需要二次動(dòng)作，磚極易產(chǎn)生損壞，面料易產(chǎn)生浪費(fèi)、磚的底面容易產(chǎn)生面料浮灰，機(jī)器易產(chǎn)生損傷，且二次布料只適用于下底面是一個(gè)平面的的磚型，如果需要二次布料的磚底面凹凸不平，則這種磚機(jī)不能進(jìn)行二次布料。

河南省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司生產(chǎn)的磚機(jī)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于不可以壓制變截面芯柱的多孔磚，而這種磚機(jī)的二次布料設(shè)計(jì)與福建海源大體相同。

上述2種磚機(jī)的共同點(diǎn)是目前都無(wú)法制造出變截面榫卯型地磚(見(jiàn)圖1)。

圖1 變截面榫卯型地磚

為解決以上磚機(jī)存在的不足，筆者設(shè)計(jì)了一種新型液壓制磚機(jī)，這種制磚機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：除可制造各種標(biāo)磚、空心磚、路面磚外，還可以制造榫卯型變截面地磚，可完美解決二次布料問(wèn)題[1-2]。

1 液壓制磚機(jī)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的液壓制磚機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。主體結(jié)構(gòu)依然采用四立柱式，制磚機(jī)主要采取了兩種創(chuàng)新型設(shè)計(jì)：第一是將布料機(jī)構(gòu)、夾磚機(jī)構(gòu)一上一下地分層布置于連接裝置上(連接裝置固定安裝于四立柱上)，面料布料機(jī)構(gòu)和基料布料機(jī)構(gòu)又分布于磚機(jī)主體的兩側(cè)；第二個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是將?？蚝拖履Ｓ幂o助油缸和四立柱連接定位成為一體，使之成為一個(gè)裝配件整體，安裝于下活動(dòng)梁上，可隨下活動(dòng)梁上下移動(dòng)，?？蚝拖履Ｖg又可相互上下移動(dòng)。通過(guò)這兩種設(shè)計(jì)即可解決二次補(bǔ)料的不完美問(wèn)題，同時(shí)配備新設(shè)計(jì)的變截面榫卯型模具(模具參照專利CN109176838A 一種地磚模具及地磚制作方法)，即可制造出變截面地磚。

創(chuàng)新點(diǎn)主要原理：將下模置于下活動(dòng)梁上，下模上布置油缸，油缸連接模框，主要的意圖是將下模與?？蛐纬梢粋€(gè)整體，可相互保持靜止，同時(shí)它們之間可相互上下移動(dòng)，這種設(shè)計(jì)方式的目的絕不僅限于脫模和讓中框浮動(dòng)而讓磚坯密實(shí)，也不僅限于提高磚體的制作精度，最重要的一點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)變截面榫卯型地磚的制造。

現(xiàn)有技術(shù)方案存在以下問(wèn)題：面料基料布置于一側(cè)，當(dāng)磚的底面不是一個(gè)平面，而是凹凸不平的時(shí)候，面料每次需要先通過(guò)中框，才能進(jìn)行基料的布料，而當(dāng)面料布料車通過(guò)中框的時(shí)候勢(shì)必會(huì)將面料布于磚的凹處，如圖1所示磚型，中間變截面平面處帶有凹凸面；又如其他磚型，內(nèi)部帶有錐孔，當(dāng)面料通過(guò)時(shí)勢(shì)必導(dǎo)致面料從模具的錐柱和下模的直孔之間所產(chǎn)生的縫隙大量漏出。

本設(shè)計(jì)為了解決上述問(wèn)題，將基料和面料布料機(jī)構(gòu)分布于磚機(jī)主體的兩側(cè)，將夾磚機(jī)構(gòu)布置于布料機(jī)構(gòu)的下方。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：磚體從?？蛳路匠瞿５姆绞讲贿m用于上述異型磚型。當(dāng)需要布料時(shí)，本設(shè)計(jì)的下模與模框需要保持相對(duì)位置，同時(shí)上升至?？蛏掀矫媾c布料機(jī)構(gòu)下平面貼合，實(shí)現(xiàn)基料與面料的分別布料，而最終壓制成型。磚從?？虮幻摮鰰r(shí)，既要保證下模與?？虮３窒鄬?duì)位置，又要保證?？虻纳掀矫媾c夾磚機(jī)構(gòu)的下平面貼合，這樣才能保證在一個(gè)平面上布料，而在另一個(gè)平面上夾磚，布料機(jī)構(gòu)與夾磚機(jī)構(gòu)相互之間互不干涉。基于該運(yùn)作原理，本文設(shè)計(jì)的液壓制磚機(jī)的出發(fā)點(diǎn)就是要保證下模和?？蛲ㄟ^(guò)下活動(dòng)梁和下模的輔助油缸連接成為一個(gè)整體，同時(shí)又能夠相互之間上下移動(dòng)。

圖2 液壓制磚機(jī)

2 主要結(jié)構(gòu)件有限元分析

以有限元分析方式驗(yàn)證柱塞缸缸筒、上固定梁、上活動(dòng)梁和底座在工作壓力情況下的應(yīng)力和變形情況，判斷設(shè)計(jì)是否滿足實(shí)際使用要求，此處缸筒采用SolidWorks Simulation進(jìn)行分析，固定梁和底座網(wǎng)格劃分采用Hypermesh，應(yīng)力應(yīng)變等分析采用ABAQUS。

2.1 缸筒材料物理性能參數(shù)選取

根據(jù)《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》，室溫下的材料彈性模量209×105MPa，切變模量82.3×103MPa，泊松比0.269，屈服強(qiáng)度355 MPa，將參數(shù)輸入到分析軟件中[3]。

2.2 缸筒模型的建立和簡(jiǎn)化

考慮到缸筒為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取1/2模型進(jìn)行分析，以減少一半的電腦計(jì)算量，并方便看到界面上的應(yīng)力分布情況；且系統(tǒng)的布設(shè)方式?jīng)Q定螺栓僅起固定作用，簡(jiǎn)化螺栓結(jié)構(gòu)以加快運(yùn)算速度，初步分析進(jìn)油口處必然存在應(yīng)力集中。

2.3 缸筒網(wǎng)格劃分

對(duì)缸筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因進(jìn)油口處應(yīng)力集中問(wèn)題，細(xì)化此處網(wǎng)格以得到精確解析。網(wǎng)格品質(zhì)之高寬比最大為18.6，小于30，雅克比最大14.3，小于30，且最大值處遠(yuǎn)離進(jìn)油口處。網(wǎng)格節(jié)總數(shù)80 495，單元總數(shù)52 704，雅克比點(diǎn)為4點(diǎn)，單元大小80 mm，網(wǎng)格品質(zhì)高，以上可滿足分析精度要求。

2.4 缸筒邊界條件的設(shè)定

對(duì)稱面對(duì)稱約束(限制1個(gè)移動(dòng)自由度和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)承載面2個(gè)位移自由度約束，模擬固定梁和螺栓對(duì)缸筒的位移約束(螺栓約束徑向位移，但此力很小，因此省略螺栓加載對(duì)整個(gè)承載面結(jié)果的影響)。

2.5 加載載荷

該油缸額定載荷為25 MPa，缸筒右側(cè)端蓋起封閉作用，缸筒工作時(shí)此處接設(shè)備，端蓋不承力。缸筒焊縫處材料強(qiáng)度等級(jí)高于母材，本分析中以同樣結(jié)構(gòu)材料替代，結(jié)果偏向安全。分析以材料均勻、各項(xiàng)性能相同、焊縫無(wú)缺陷為前提條件，不包含制造缺陷引起的強(qiáng)度弱化在內(nèi)。

2.6 缸筒載荷加載

以柱塞伸出后，缸筒受壓面最大工況(最惡劣工況)來(lái)加載額定載荷(25 MPa)。

2.7 缸筒額定載荷工況計(jì)算結(jié)果

缸筒的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖3所示，400倍合位移云圖如圖4所示。加密缸筒網(wǎng)格1倍，再次計(jì)算，得出缸筒最大應(yīng)力從200.31變?yōu)?99.49(位置略有變動(dòng)，影響小)，數(shù)值變化僅為(200.31-199.49)/200.31=0.41%<5%，因此可以判定，計(jì)算精度是足夠的。

再看應(yīng)力，最大應(yīng)力僅為200.31 MPa，小于355 MPa，完全滿足材料強(qiáng)度要求，安全系數(shù)355/200.31=1.77。

最后看徑向位移和合位移，極值僅為0.18 mm和0.21 mm，結(jié)構(gòu)剛度可滿足使用要求。

2.8 試驗(yàn)載荷工況計(jì)算結(jié)果

考慮到試驗(yàn)載荷工況，修改載荷從25 MPa到37.5 MPa，以分析方式驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)載荷工況下是否可以滿足強(qiáng)度要求。經(jīng)計(jì)算，缸筒最大應(yīng)力299.23 MPa，小于355 MPa?？梢?jiàn)，結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)載荷工況下同樣可以滿足強(qiáng)度要求。

圖3 缸筒節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

圖4 缸筒400倍合位位移云圖

2.9 上固定梁、底座簡(jiǎn)要計(jì)算說(shuō)明

上固定梁應(yīng)力云圖如圖5所示，最大應(yīng)力為145.2 MPa，小于370 MPa。底座應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力為152.5 MPa，小于370 MPa。滿足設(shè)計(jì)要求[4-5]。

圖5 上固定梁應(yīng)力云圖

圖6 底座應(yīng)力云圖

3 應(yīng)用效果

本文設(shè)計(jì)的液壓制磚機(jī)目前已經(jīng)試制成功，且在配備少量輔助設(shè)備、未形成大規(guī)模產(chǎn)線的情況下實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化，可大批量實(shí)現(xiàn)變截面榫卯型地磚的制造，其他如城市道路磚、廣場(chǎng)磚、榫卯型墻磚等多種磚型皆實(shí)現(xiàn)了在此磚機(jī)上的制造，目前應(yīng)用效果很好，正在逐步推廣應(yīng)用中。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的液壓制磚機(jī)首次提供了一種以尾礦、粉煤灰、煤矸石、建筑垃圾、鋼渣等固體廢棄物為原料，可制造各種標(biāo)磚、空心磚、路面磚、榫卯型墻磚、榫卯型變截面地磚的制磚方法，利用這種制磚方法可對(duì)榫卯型變截面地磚進(jìn)行制造并二次布料。該液壓制磚機(jī)采用柔性化設(shè)計(jì)，可根據(jù)客戶所需選用不同的配置，以最小的成本實(shí)現(xiàn)客戶對(duì)磚型的需求，同時(shí)解決了現(xiàn)有技術(shù)方案存在的問(wèn)題。