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大型锻压机预应力结构受力-变形的分析与研究

2017-10-14 10:33:51本网

  大型锻压机预应力结构受力-变形的分析与研究王勇勤戴文军严兴春、江桂云韩炳涛2,成先飙2(1.重庆大学机械工程学院,重庆400030;2.西安重型机械研究所,陕西西安710032很多局限性。结合三维弹性接触有限元法计算结果,提出了一种改进的计算方法,对锻压机预应力机架受力与变形的研究和分析具有一定的价值。

  E卜横梁一立柱(压套)预紧螺i拉杆下横梁1 mI预应力机架结构简前言大型锻压机广泛应用于制造业各个部门。尤其是随着我国经济的不断发展,对大型和特大型锻件的需求量日益增大。所以,目前各大型重机厂竞相研制百兆牛级或几百兆牛级的锻造水压或油压设备。

  如某重机厂自行研制了160MN锻造水压机。同时,基金项目:国家“十一五”科技支撑计划重点项目(2007BAF02B09)机械、现代机械设备教学与研究国家在五“期间也加大投入,作为其支撑计划重点项目资助研制了165MN自由锻造油压机等,800MN锻造水压机也正在某企业研制中。作为大型锻压机的关键部件之一的机架,通常大多都采用了上下横梁一拉杆一立柱胚套)的预应力结构(图£)。

  该结构通过长的拉杆将上下横梁与立柱预紧成为一个整体机架,立柱全长预紧。这样在工作载荷作品技术标准应用手册,北京:航空工业出版社,2004.朱张校。工程材料。北京:清华大学出版社,2001.艾伦。德福主编,卢冬良译。钢丝。郑州:中钢集团金属制品研究张秀凤。我国预应力钢丝的现状及发展趋势。金属制品,2002,斯莫尔曼著,张人佶译。现代物理冶金学。北京:冶金工业出版社,王昆林。材料工程基础,北京:清华大学出版社,2003. CMET锻压装备与制造技术皿力,用下,梁和立柱不会因为受力而产生分离,这种结构一方面可以成几倍地提高机架的刚度,同时也较大地降低了拉杆和立柱的动态应力,从而提高了其抗疲劳的能力因此,在锻压机中得到了广泛应用。

  在锻压机预应力机架的设计中,保证在工作载荷作用下,上下横梁与立柱不产生缝隙(俗称张口),具有重要的意义。另外,由于上下横梁的结构非常复杂,利用传统的力学方法难以精确地计算其强度和变形。因此,般采用有限元法。但是由于采用有限元法计算时,在初始预紧工况的基础上,施加工作载荷,然后研究立柱与上下横梁的接触情况以判断是否出现张口及上下横梁的强度和变形情况。所以就必须准确给出预应力的大小。鉴于此,需要利用解析方法准确地求出预紧螺母的位移量。

  有关预应力机架受力与变形的研究并非是一个新的课题,许多资料中都有所叙述。但笔者通过对某实际的锻压机预应力机架分析研究发现,必须准确地理解这些公式并加以适当地改进,才能用于对预应力机架的受力和变形分析。否则,要么是虽然能够较准确地计算出预紧螺母的位移量,但却不能准确地计算出工作载荷作用下拉杆力及立柱上的残余预紧力的大小;要么是虽然能够较准确地计算出工作载荷作用下的拉杆力及立柱上的残余预紧力,却不能准确地计算出预紧螺母的位移量的大小。

  为了解决上述问题,本文给出了种综合的改进方法,可以达到二者兼顾,供锻压机及同类设备预应力机架设计分析时。

  -分别为工作载荷作用下的拉杆力及立柱上的残余预紧力。

  实际应用中,计算预紧螺母拧紧量及工作载荷作用下的拉杆力及立柱上的残余预紧力大小的关键是正确选择上述公被压缩件的刚度Ky.这里通常有两种处理方法,是由于上下横梁刚度较立柱刚度大许多,所以一般是将上述公的受压缩件的刚度直接取成立柱的刚度Ky;二是将上下横梁受压部位的刚度和立柱刚度按弹簧串联方式求出一个等效刚度K进而代替上述公的受压缩件的刚度Ky进行计算,即:若设KcKKxi分别为立柱、上横梁受压部分、下横梁受压部分刚度,则有:CMET锻压装备与制造技术理-|卜常规方法与有限元法计算结果对比上述常规方法的准确度如何,为说明上述问题,现将某一实际的锻压机预应力机架的受力及变形分别利用常规方法和三维弹性接触有限元法的计算情况加以对比分析,计算中所采用的原始数据为:计算结果见表1、2.表1给出了预紧情况下,预紧螺母拧紧量计算结果,表2给出了锻压机工作情况下的拉杆力及立柱上的残余预紧力的计算结果。

  预紧状态下预紧螺母拧紧量计算结果螺母拧紧量/mm常规方法一常规方法二有限元法压缩件之间的受力将会重新分配如下:表2工作情况下残余预紧力计算结果从表1可见,常规方法一(即用立柱刚度代替被压缩件刚度)与有限元法相比,其相对误差为9.35%.常规方法二(即用立柱刚度、上下横梁受压部位的刚度按弹簧串联作为等效刚度与有限元法相比,其相对误差为4.87%,计算精度提高了约一倍。

  从表2可以看出,常规方法一计算出的拉杆力与有限元法相比,其相对误差为0.97%.立柱上的残余预紧力相对误差为2.9%.常规方法二与有限元法相比则为:拉杆力相对误差为7%,立柱力相对误差为25.8%,相差太大。

  4预应力机架受力-变形的一种改进计算方法从以上的计算情况已经可以明显看出,用立柱刚度代替受压缩件刚度(即常规方法一),计算预应力机架受力与变形时,所得到的预紧螺母的位移量与有限元法相比其误差要大于利用立柱、上下横梁刚度串联作为等效刚度这种方法(常规方法二),但用此方法计算锻压机在工作载荷作用下的拉杆力和立柱上的残余预紧力却与有限元法的计算结果非常接近;而常规方法二则与之相反。为此,本文提出了种综合的改进计算方法,即在预紧阶段利用常规方法二计算预紧螺母的位移量;而在工作阶段利用常规方法一计算拉杆力及立柱上的残余预紧力。这―思路,事实上的确与锻压机的实际工作情况相一致。其原因是,在预紧过程中,除了立柱为主要压缩件外,上下横梁在预紧力的作用下,同样也要被压缩,如果不考虑这一实际情况(如常规方法一),即相当于把上下横梁看成了刚体。因此,所给出的预紧螺母的位移量一定会偏小。另外,在工作载荷作用下,立柱无疑要回弹,而上下横梁的受力与变形情况则相对比较复杂。直观上来看,上下横梁与立柱相接触的部位也要回弹,而与预紧螺母相接触的部位则要进一步地被压缩。对比前面的计算结果可以看出,此时,把上下横梁看作为一个刚体来计算受力几乎与有限元法没有多少误差。也就是说,上下横梁与立柱接触面上的回弹量大致与预紧螺母接触面上进步的压缩量相互抵消。

  综上所述,可按所示方法计算锻压机预应力机架的受力与变形情况。即:5结束语本文分析了预应力机架设计中,利用常规方法计算预紧螺母的拧紧量及工作情况下机架各部分的受力计算的不足,结合三维弹性接触有限元计算结果,给出了一种改进的计算方法。利用此方法,可以用解析手段,比较准确地给出预紧时预紧螺母的位移量及工作载荷作用下拉杆的受力及立柱上的残余预紧力大小。这一方法,对锻压机和其他同类机械设备(如轧钢机)的预应力机架设计分析,均具有一定的价值。

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