大型锻造压机插入式立柱预应力机架分析研究

王勇勤， 刘志芳，严兴春，韩炳涛，成先飚，张 君

（1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400030；2.中国重型机械研究院，陕西 西安 721000）

大型锻造压机插入式立柱预应力机架分析研究

王勇勤1， 刘志芳1，严兴春1，韩炳涛2，成先飚2，张 君2

（1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400030；2.中国重型机械研究院，陕西 西安 721000）

针对锻造压机常规平接式预应力机架的立柱抗水平载荷能力差和端面接触状况不好等缺点，对一种立柱插入式预应力机架结构展开研究；分别利用解析法和有限元法对两种结构进行了分析，研究了在相同条件下平接式和立柱插入式两种机架的应力状态、变形及端面接触和横梁的接触状况；研究结果对锻造压机及同类预应力机架结构的设计具有一定的参考价值。

机械设计；预应力机架；插入式；立柱；接触状态

0 前言

锻造压机是机械制造业重要的基础制造设备之一。随着大型、特大型锻压机需求量的不断增加，国内外各科研院所及重机制造厂对各种大型压机开展了研究，如张剑寒等[1]研究了400MN航空模锻液压机的机架在各工况下的受力和变形状况；吴生富等[2]研究了整机架的工作性能及相关接触面接触状况；严兴春等研究了165MN自由锻造油压机组合梁的动态特性，得出了下横梁的前七阶固有频率和固有振型[3]；杨甲申等[4]分析了大型锻压机组合梁不同工况下的应力、变形等，提出了组合梁设计的基本依据；杨固川等[5]改进了800MN模锻压机C形板机架结构，分析计算了机架强度、刚度及疲劳寿命等；H.Ou和R.Douglas研究了机架弹性变形对精密模锻件精度的影响[6][7]。同时，国家在“十一五”期间也投入了大量资源，重点支撑一批锻压机的技术攻关研究[8]。陆杨[9]提出了一种可实现自动控制的新型自动锻压机挡料机构。

机架是锻造压机的核心部件之一，合理设计机架是保证压机安全可靠工作的前提。目前所使用的压机其机架大多都采用了立柱平接式结构（图1），即上下横梁与立柱（压套）端面贴合并以十字键定位。这种结构抗偏载能力差，通常更适合于压机仅承受中心载荷或偏载较小的情况。鉴于此，对于偏载较大的大型和超大型压机目前越来越多地开始使用一种新型的立柱插入式机架结构（图2），这种机架的立柱（压套）部分插入上下横梁。

1 两种机架的理论模型

1.1 平接式机架

1.2 插入式机架模型

立柱插入式机架也由上横梁、下横梁、立柱和拉杆等组成。通过拉杆和紧固螺母将上下横梁、立柱压紧，与平接式的差别是，立柱（压套）部分地插入上下横梁，从而形成一个近似的刚性框架，这样立柱可以承受较大的水平载荷。这种结构立柱的受力情况可近似简化为两端固定的超静定梁模型（图4）。设上下横梁为刚体且立柱的长度为L，集中力F水平作用于立柱中间位置时，立柱上中间点位置最大弯矩为FL/8，对应挠度为δ=FL3192EI。

比较结果可见，相同条件下，插入式立柱比平接式立柱结构所受弯矩减小了一半且产生的挠度仅为后者的1/4。因此，插入式立柱受载状况明显改善。

2 机架有限元模型的建立

通过上述理论分析可以看出，两种机架立柱的受力、变形存在明显差异，其原因是理论分析中对平接式结构将梁对立柱端面的约束状况视为铰接，而对插入式结构则视为固端约束。为对其进行深入研究，本文运用有限元软件ABAQUS分别对上述两种机架立柱的变形、应力及接触状况展开系统深入的研究。

为使结果具有可比性，两种机架的结构尽量保持一致。两种机架大体对称，为简化分析过程，均取1/4模型为研究对象，在模型对称面上施加相应的对称约束。在立柱中心位置0.6m2的面上施加12.5MPa的压强，在上横梁安装油缸法兰的位置及下横梁工作台施加41.25MN的作用力（图5）。

3 两种结构计算结果对比分析

图 6（a）、（b）为有限元计算得到的平接式与插入式结构机架的立柱Z向应力云图（预紧系数为1.15）。由计算结果可知，插入式机架与平接式机架立柱中间相同位置的Z向拉应力分别为33.33MPa和41.45MPa，插入式立柱Z向拉应力相对平接式立柱降低了19.6%，其Z向拉应力相对明显减小。

如图7所示，在相同的工况下，δ2为两种立柱中间位置横截面的X向位移平均值，δ1、δ3为两端参考截面的 X 向位移平均值，Δδ1、Δδ2为立柱的相对变形。图8（a）、（b）分别为平接式与插入式结构机架的立柱的水平横向变形云图：插入式立柱的相对变形 Δδ1/Δδ2为4.34968/4.10591mm，平接式立柱的相对变形 Δδ1/Δδ2为5.57715/5.25772mm，插入式机架立柱的相对变形相比降低了22.0%/21.9%。可见，插入式立柱的相对变形相对有较大减小。

图9（a）、（b）为两种立柱接触状态云图。平接式机架的立柱端面约1/4面积与横梁接触；插入式机架的立柱端面80%以上的面积与横梁接触。

由计算结果可知，相同工况下，插入式结构相对于平接式结构，立柱的应力和水平方向变形显著降低，立柱端面接触状况明显改善。然而，两种立柱的应力与变形的差值相对于理论值偏小。其原因是：①横力弯曲时，若抗弯截面系数一定，则截面正应力与对应弯矩成正比，两种立柱同时承受轴向压应力，非纯横力弯曲；②上下横梁假设为理想刚体而不变形，实际上下横梁会迫使立柱产生反弯变形，且两种立柱的反向变形大小不同，故立柱弯曲变形大小也不同。

4 结论

本文的研究结果表明：①在相同的预紧系数及工作状况下，插入式机架的立柱正应力得到显著改善；②插入式立柱的相对变形有较大幅度减小，即插入式立柱相对刚度增强了；③插入式机架的立柱端面与横梁的接触状态也明显改善，有利于设备的稳定运行。

[1] 张剑寒，曾 攀，等.400MN航空模锻液压机机架有限元分析[J].中大型锻压设备和技术研讨会，2008：353-356.

[2] 吴生富，聂绍珉，等.大型锻造液压机全预紧机架的整体性分析[J].燕山大学学报，2006，30（2）：133-136.

[3] 严兴春，江桂云，等.165MN自由锻造油压机组合梁模态分析[J].锻压技术，2009，34（2）：71-73.

[4] 杨甲申，韩炳涛，等.大型锻压机组合梁的强度刚度分析[J].重型机械，2007，（3）：32-34.

[5] 杨固川，于 江，等.大型模锻液压机机架结构分析研究[J].锻压技术，2010，35（3）：109-112.

[6] H.Ou，R.Balendra.Die-elasticity for precision forging aerofoil section using finite element simulation.J.Mater.Process.Technol.76（1998）：56-61.

[7] R.Douglas，D.Kuhlmann.Guidelines for precision hot forging with applications，J.Mater.Process.Technol.98（2000）182-188.

[8] 王勇勤，戴文军，等.大型锻压机预应力结构受力-变形的分析与研究[J].锻压装备与制造技术，2008，43（5）：29-31.

[9] 陆 杨.可实现自动控制的自动锻压机挡料机构[J].锻压装备与制造技术，2009，（5）：71-72.

[10] 俞新陆.液压机的设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2007：28-44.

[11] 朱伯钦，周竞欧，等.结构力学（第二版）[M].上海：同济大学出版社，2004：253-258.

[12] 赵腾伦.ABAQUS 6.6在机械工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007：66-108.

[13] 俞新陆.液压机现代设计理论[M].北京：机械工业出版社，1987：105-108.

Analysis study of pre-stress frame with inserting vertical column for heavy-duty forging press

WANG Yongqin1,LIU Zhifang1,YAN Xingchun1,HAN Bingtao2,CHENG Xianbiao2,ZHANG Jun2
（1.Mechanical Transmission State Key Lab,Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.China Heavy-Duty Mechanical Research Institute,Xi'an 721000,Shanxi China）

Aiming at the faults of poor anti-horizontal loading capacity and end contact situation of vertical column for common flush joint pre-stress frame,a new kind of pre-stress frame with inserting vertical column has been studied.The analysis method and finite element method have been applied separately to analyze the common and new structures.The stress status,deformation,and end&cross beam contact situation of the two structures under the same conditions have been studied.The results provide reference for the design of same or similar prestress frame structure.

Pre-stress frame;Insert;Vertical column;Contact situation

TG315.5

A

1672－0121（2012）03－0044－03

165MN自由锻造油压机（2007BAF02809）；金属挤压/锻造设备与工艺创新能力平台建设（2011ZX04016-81）

2012-02-09

王勇勤（1961-），男，教授，博士生导师，长期从事冶金机械装备研究