基于有限元的重型双柱立车横梁结构分析

邢明德，吴小露

（齐齐哈尔二机床集团有限责任公司 技术中心设计研究院，黑龙江齐齐哈尔 161005）

1 引言

在重型立车结构中，横梁是关键部件，直接决定机床整体加工性能，其内部筋板结构布置对机床结构刚度、结构稳定性及抗振性具有重要影响。本文以最大加工直径为6300mm 重型立车横梁为研究对象，从横梁加载刀架后静刚度和增加卸荷装置等方面分析横梁导轨变形情况，为大跨度横梁设计及预先横梁导轨挠度加工提供充分理论依据。

2 横梁有限元模型建立

重型立车横梁部件主要由横梁、刀架滑枕、横梁滑座等部分组成，横梁整体采用焊接结构，焊接后时效处理，导轨等关键部分材料采用45 钢增加其刚性，内部筋板材料采用Q235A，内部采用十字筋板及交叉斜筋板焊接结构，筋板为中心开方孔结构，减少重量并且增加其强度及抗振性。横梁总长95500mm，最大宽度1000mm，筋板厚度25mm，导轨厚度80mm，卸荷导轨及卸荷辊子位于横梁上侧，如图1 所示。

横梁总重量为18462kg，45 钢弹性模量为2×105MPa，密度7850kg/m3，泊 松 比0.29，Q235A 弹 性 模量为2.1×105MPa，密度7800kg/m3，整体采用ANSYS Workbench智能网格划分，导轨采用局部网格细化方式，横梁网格模型如图2 所示。

图1 横梁主、副导轨和卸荷机构结构图

3 横梁静力学分析

图2 横梁网格划分模型

横梁静态分析过程中主要受到3个力的作用：分别是横梁自身重力、横梁滑座压力、刀架滑枕压力。为了便于计算刀架滑枕及横梁滑座的作用力，分别以质点形式加载到横梁导轨上，本文从两方面入手：（1）横梁加载刀架后导轨变形情况；（2）横梁导轨增加卸荷装置后导轨变形情况。

3.1 滑座刀架作用在横梁上时加载边界条件

横梁两侧与立柱相结合部位设置为固定接触，滑座刀架位于横梁中心位置时是变形量最大位置。滑座刀架装配体重力以质点形式加载在导轨上，ANSYS中设置加载力为Remote Force，大小为71300N。加载情况如图3 所示。

图3 应力加载位置图

经ANSYS 运算后得出横梁总变形云图，如图4 所示。从图中可以看出最大变形发生在主导轨位置，最大变形为0.13467mm，这已超出了国家标准0.02mm/m 所要求的范围。采用预先横梁导轨挠度加工，加工挠度也不会达到0.1mm/m，因此采用预先横梁导轨挠度加工后变形量也会超过0.034mm，未满足设计要求。

图4 加载滑座刀架后横梁总应变云图

3.2 加载卸荷装置时横梁加载边界条件

此时设置固定位置、滑座刀架重力加载与图3 相同，唯一不同之处是卸荷辊子力加载在横梁上侧卸荷导轨上，如图5 所示。

图5 增加卸荷辊子应力加载位置图

计算结果经ANSYS 运算后得出加载卸荷装置横梁总变形云图如图6 所示。从图中可以看出，最大变形量为0.077055mm，与图4 相对比变形量减小近一半，可以看出增加卸荷装置后作用力一部分被分配到卸荷导轨上去，减小了主导轨压力，在采用预先横梁导轨挠度加工后，完全可以达到国家标准0.02mm/m。

图6 加载滑卸荷装置后横梁总应变云图

4 结论

以横梁为研究的对象，从有限元理论方面进行分析，增加卸荷装置后减小主导轨压力，从而控制导轨变形量，以应用理论计算来指导加工工艺。

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［2］主岳东，张志军.基于动力学特性的车铣机床横梁的优化设计［J］.沈阳工业大学学报，2004（4）：5-8.

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