压砖机的装机架设计及优化

周性聪 杨金辉 邓耀顺

摘 要：装机架是大型陶瓷液压自动压砖机（以下简称压砖机）在使用现场组装时的装配设备，用作动梁油缸副的组装。装配设备的强度及可靠性，关系到压砖机的装配质量和操作人员的人身安全。完善的装配工装有助于大型压砖机的拆装运输，可降低路桥运输压力，扩宽了大型压砖机的设计思路。本文分别从理论计算、有限元分析探讨了装配设备的设计和优化方法。实践证明，本文的设计优化方法对装配设备的设计具有指导意义。

关键词：有限元仿真；装配设备；结构设计

1 前言

近年来，人们对大规格陶瓷砖产品的需求量剧增，使得大型压砖机，尤其是宽台面的大型压砖机一直受到追捧，已逐渐成为今后国内建筑陶瓷市场的一大需求热点[1]。大规格陶瓷砖的生产，要求压砖机提供更高压制力、较大的压制面积。促使压砖机往更大型的方向发展，相应的零部件重量也跟着不断增大。以恒力泰的YP7200L型压砖机为例，其主机重量约为186.5t，动梁油缸副重量约为30t[2]。

大型压砖机庞大的重量，使得路桥运输面临十分严峻的挑战。把压砖机拆分运输至用户现场装配成为日后发展的必然趋势。由于压砖机的现场装配受到场地环境、地表质量等诸多不确定因素的影响，大型零部件的装配难度大幅提高。所以现场装配时使用的装配设备必须有很高的强度和可靠性。

本文分别从理论计算设计、有限元分析等方面，对YP7200L压砖机的动梁油缸副现场装机架进行设计及优化。

2 装机架结构概述及工况分析

根据压砖机基础的设计要求，压砖机前方有一堵高达地表的水泥墙，压砖机至水泥墙之间需要留空，水泥墙外面并没有对地表质量提出详细要求。一般水泥墙外面是堆土层加薄水泥地面，并不具备承受高压强的能力。所以装机架以水泥墙顶部及压砖机底座上平面作为主要的支撑位置。图1为装机架的工况示意图。

3 装机架结构的确定及力学模型的建立

考虑到装机架主要起到支撑和导向作用，在使用过程中承受弯矩为主。而对于整体机架的各支架横截面，空心的长方形截面在相同材料情况下能承受更大的弯矩[3]。从充分利用材料的力学性能方面考虑，装机架的主要材料选用矩形钢。根据装机架使用的环境，及使用的方便性等因素，决定装机架采用梁式桁架结构，结构简图见图2，力学模型见图3。AB段作为主梁承受弯矩，横截面积为 A1；其余的AC、CD、EC、FD和BD段作为杆件只承受轴向力，各杆横截面积皆为A。

4 装机架力学模型的计算

图3的力学模型为静不定结构，可用力法求解。将CD杆切开，并以其轴力X1代替节点C、D之间的约束，得到基本静力系（图4）。设基本静力系在单独作用下（图5），切口兩侧截面沿X1方向的相对位移为△1p；在单位力1的作用下（图6），切口两侧截面沿X1方向的相对位移为δ11。由变形协调条件可知：

△1p+δ11X1=0（1）

E——装机架材料的弹性模量；

I——主梁横截面对其中性轴的惯性矩。

把△1p和？啄11代入式（1）可解出：

式（5）的第一项表示载荷p单独作用下的挠度，第二项表示X1单独作用下的挠度。

5 机架受力变形计算

YP7200L装机架方案参数如下：主梁采用150mm×100mm×8mm矩形钢；杆件采用50mm×25mm×3mm矩形钢；p=300kN；a=330mm；E=200GPa；A1=35.8cm2；A=3.9cm2；I=1039.1cm4；W=138.5cm3。

把上述参数代入式（3）、（4）、（5）可算得：

最大弯矩Mmax=18422.54Nm；

最大弯曲应力？滓max=132.97MPa；

主梁AB中段挠度f=-0.24mm，负号表示方向为竖直向下。

6 有限元分析及优化

用有限元分析方法对力学模型理论计算进行校核验证，由于此结构是对称结构，故可以只取四分之一模型计算，这样可以提高计算效率。Solidworks软件可以方便快捷地实现有限元分析的几何模型建模、网格划分、加载、运算和后处理等过程，可以直观地查看到危险点，运行得出的详细参数为实际模型制造提供了改进建议，非常适合机械工程设计人员使用[4]。因此，本次计算采用SolidWorks2007 Cosmos进行运算。

按实际尺寸建好三维模型后，其有限元分析计算过程如下：

（1） 施加约束条件：在对称面施加对称约束，按简支梁的边界条件施加中部集中载荷P和端部竖直方向约束；

（2） 划分网格；

（3） 运行分析；

（4） 后处理，其模拟图如图7～图10所示。

通过理论计算和有限元分析，可以分别算出装机架中部（危险位置）的弯曲应力和挠度，两者列表对比见表1。可见，有限元分析结果和理论计算结果非常接近。

矩形钢的材料为Q235-A，屈服强度？滓S=235MPa。对于用作承载用途的装机架，需要与吊车等起重设备配合使用，不可避免的会导致装机架局部位置受到瞬间高强度的冲击。根据机械设计手册提供的安全系数选定条件及推荐值，选定安全系数S=3～5（按抗不稳定计算）。上述方案的安全系数，未达到设计要求，需要通过有限元优化计算来降低最大弯曲应力，提高安全系数。

从提高材料利用率的角度出发，并综合考虑加工、安装的便利性，经过有限元分析校核，优化后的模型见图11。为增强结构的承载能力，装机架的主梁和杆件全部采用150mm×100mm×8mm矩形钢，并在主梁上部和两侧连接处焊接20mm厚钢板。

同样地，采用四分之一模型，按与前面叙述相同的加载和约束进行分析。分析的第一主应力云图和变形图见图12、图13。优化后，最大弯曲应力减至56.12MPa，安全系数装机架的抗弯能力的得到了加强，最大挠度减至-0.11mm。优化后，装机架的强度和刚度均满足设计要求。

7 结语

本文首先通过理论方法和有限元仿真校核了YP7200L压砖机装机架方案的强度与刚度；然后在原设计的基础上优化改进结构；最后再进行结构校核。在“设计—校核—优化设计—校核”的过程中，使用有限元分析的方法，不需要繁琐的理论推导，能带来很高的分析效率，提高结构设计可靠性，降低意外发生的风险。

本文对装机架进行设计及优化时，出于最不利受力情况考虑，把装机架结构设定为上承式的桁架结构，实际上装机架靠近水泥墙的一边，可设计成双梁式的桁架结构。按照优化后方案制造出来的装机架已经投入使用，从使用效果来看，本装机架能很好地满足现场装机的需要。

参考文献

[1] 韦峰山，冯瑞阳，温怡彰.现代陶瓷液压压砖机主机结构的研究

与发展方向[J].陶瓷，2006（12）：33～38.

[2] 韦峰山，彭沪新.主机结构优化的YP7200L型宽体陶瓷压砖机

[J].陶瓷，2010（10）：32～36.

[3] 成大先，王德夫，姬奎生.机械设计手册（第5版，第一卷）[M].北

京：化学工业出版社，2007.11.

[4] 蒋红斌，陆利锋，冯乙.SolidWorks2006中文版基础应用于实例

分析[M].北京：机械工业出版社，2005，9.