大型模鍛液壓機(jī)C形機(jī)架安裝方案設(shè)計

陳 俊，段宏斌，陳 進(jìn)，侯 沂，代浩秋

(1．重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044;2．中國二重萬信公司，德陽 618013)

0 前言

中國第二重型機(jī)器廠在建的框架式結(jié)構(gòu)，800MN模鍛液壓機(jī)是世界上最大的模鍛液壓機(jī)，該機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件外形尺寸以及重量都很大，裝配工藝要求很高，安裝的難度非常大。C形板因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝過程繁瑣，受力也很復(fù)雜，采用經(jīng)驗公式形式驗算的傳統(tǒng)方法不能準(zhǔn)確計算出整個結(jié)構(gòu)各個部位的應(yīng)力和變形，因此，C形板的安裝是整體安裝過程中的難點，在安裝方案設(shè)計時，需要對整個安裝過程的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，以確保安裝方案的合理性。傳統(tǒng)的方法多采用經(jīng)驗公式進(jìn)行驗算，而C形板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝過程繁瑣，受力也很復(fù)雜，該方法不能準(zhǔn)確的計算出整個結(jié)構(gòu)各個部位的應(yīng)力和變形，本文采用ANSYS對機(jī)架安裝過程進(jìn)行有限元分析計算，得到C形板的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形。為機(jī)架安裝方案的確定提供了理論依據(jù)。

1 C形板安裝方案

(1)C形板為細(xì)長板件，起吊過程需要防止變形。800 MN模鍛液壓機(jī)有20塊C形板，分為四組，每組5塊，每塊的形狀質(zhì)量一樣，安裝方案也一樣。單件C形板長度為36.19 m，而行車的起吊高度不夠，需要在基坑邊上地坪上開挖深度為7m的專用通道，將C形板放到通道里面翻轉(zhuǎn)再安裝，如圖1所示。

圖1 C形板放置情況Fig.1 Position of C-shaped plate

(2)C形板外很大，單件重250 t，檢查調(diào)整困難，C形板安裝過程復(fù)雜。由于C形板重量大，棱角尖，且精度要求高，不能讓棱邊直接受力，因此采用鉸孔支撐旋轉(zhuǎn)方案，并專門設(shè)計工裝支撐，C形板端頭有兩個鉸孔，兩鉸孔的距離為1890 mm(圖1)。為了縮小翻轉(zhuǎn)工裝尺寸，在翻轉(zhuǎn)時必須先使用鉸孔1支撐。如果整個翻轉(zhuǎn)過程中全使用鉸孔1支撐，當(dāng)整體翻轉(zhuǎn)到83°時，鉸孔1中心與吊點的連線會經(jīng)過C形板的重心。再繼續(xù)翻轉(zhuǎn)時，由于重心偏移，C形板會產(chǎn)生沖擊，這樣可能會使安裝過程產(chǎn)生危險。因此為了防止沖擊，在整個安裝過程中，需要C形板重心始終保持在支撐點與吊點連線的一側(cè)，故設(shè)計了二級翻轉(zhuǎn)安裝方案，即在翻轉(zhuǎn)到78°時，將支撐點轉(zhuǎn)移到鉸孔2，然后繼續(xù)翻轉(zhuǎn)直到90°，此時吊點與C形板重心的連線豎直，避免了沖擊的產(chǎn)生。在整個翻轉(zhuǎn)過程中，行車吊鉤要保持受力方向豎直，即在起吊過程中，要隨時調(diào)整行車位置，邊起吊邊移動，如圖2所示。翻轉(zhuǎn)過后，將C形板豎直吊起，并按設(shè)定的路線將其吊到安裝位置，并將其安裝到位。

(3)安裝精度要求高。為了將所有的C形板都精確安裝到位，每塊C形板到位后還要將其固定在專門設(shè)計的桁架上，桁架上設(shè)計專門的固定平臺。由于C形板在整個模鍛壓機(jī)工作時起著很關(guān)鍵的作用，其安裝精度也對整個模鍛壓機(jī)的工作精度產(chǎn)生很大影響，所以非常有必要對其在安裝過程中的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行校核。以避免安裝時由于其剛度和強(qiáng)度對壓機(jī)性能產(chǎn)生影響。

圖2 C形板旋轉(zhuǎn)起吊示意圖Fig.2 Schematic diagram for rotary hoisting of C-shaped plate

2 有限元分析

2.1 有限元基本理論

本文運用靜力學(xué)方法，對工裝桁架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性進(jìn)行分析驗算。根據(jù)結(jié)構(gòu)模型和載荷條件，可以求解下列矩陣方程，得到節(jié)點位移

式中，{F}為結(jié)點力向量;［K］為整體剛度矩陣;{r}為結(jié)點位移向量。

根據(jù)式 (1)確定結(jié)點位移后，再利用插值關(guān)系就可以求得任意位置處的位移，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)力。求解應(yīng)變和應(yīng)力的矩陣公式如下

式中，{ε}為單元應(yīng)變向量;［B］為應(yīng)變矩陣;{r}e為單元節(jié)點位移。

式中，{σ}為單元應(yīng)力向量;［S］為應(yīng)力矩陣。

2.1 計算工況

為了確保C形板安裝過程的安全性，在C形板翻轉(zhuǎn)和移動過程中都需要緩慢平穩(wěn)的運行，即基本不考慮沖擊。只需要對C形板在安裝時的幾個特殊工況進(jìn)行分析，得到其在各工況下的應(yīng)力和變形，以確定安裝過程是否合理安全。本文時C 形板在0°、45°、78°、90°這幾種工況進(jìn)行分析。

2.2 C形板有限元模型

在安裝過程中，每塊C形板受力情況一樣單獨進(jìn)行吊裝，所以只需要對單獨一塊進(jìn)行分析。用solidworks對其進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入ANSYS得有限元模型如圖3所示。

2.3 邊界條件

在C形板翻轉(zhuǎn)過程中，0°～78°之間是繞著鉸孔1轉(zhuǎn)動，78°～90°之間是繞著鉸孔2轉(zhuǎn)動，而行車吊住固定在C形板頂端面的專用工裝上，即在整個過程中將起吊工裝鉸點采用鉸約束 (即約束整體的移動，釋放孔的轉(zhuǎn)動)，在0°和45°這兩個工況將鉸孔1約束，78°時將鉸孔2約束，90°起吊時將鉸孔全部釋放，整個過程只考慮重力，通過添加材料密度和施加重力加速度的方法來施加，重力的方向隨著C形板的翻轉(zhuǎn)改變。

圖3 C形板有限元模型Fig.3 Finite element model of C-shaped plate

2.4 有限元分析結(jié)果

C形板在各個工況下的應(yīng)力和變形，計算結(jié)果如圖4～圖11所示。

在0°起吊時，最大位移位于C形板中部，為8.3mm，最大應(yīng)力位于吊板上，為137.5 MPa。

起吊到78°時，位移最大處位于C形板中部，最大值為2.8 mm，應(yīng)力最大處位于吊板上，最大值為23 MPa。

在45°時，位移最大處位于C形板中部，最大值為5.6 mm，應(yīng)力最大處位于吊板上，最大值為79 MPa。

圖11 90°位移圖Fig.11 Displacement diagram at 90°

90°吊起時，位移最大處位于C形板底部，最大值為10.6 mm，應(yīng)力最大處位于吊板上，最大值為49 MPa。

此應(yīng)力為Von Mises應(yīng)力，考慮了拉伸、彎矩和扭矩的共同作用，能更準(zhǔn)確的反映出C形板的應(yīng)力狀況。等效的Von Mises應(yīng)力的計算公式為

式中，σ1、σ2、σ3為三個方向上的主應(yīng)力。

C形板和吊板材料的破壞類型為塑性屈服，所以采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度驗算。第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為σ≤ ［σ］。 ［σ］為許用應(yīng)力，其中

C形板最大應(yīng)力出現(xiàn)在吊板剛測起吊的時候為138 MPa。吊板材料為42CrMo，其屈服強(qiáng)度σs為390 MPa，安全系數(shù)取2。σ=138 MPa≤195 MPa。變形最大的時候是90°吊起時，最大變形為10.6 mm，應(yīng)變值為0.3 mm/m，小于材料的許用彎曲應(yīng)變1 mm/m。由此可見，在C形板的安裝過程中強(qiáng)度和剛度滿足要求安全可靠。

3 結(jié)論

在考慮了C形板翻轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)沖擊的可能性后，設(shè)計了C形板的二次翻轉(zhuǎn)安裝方案，并在分析整個安裝過程后，選取幾個典型的工況，用ansys對這些特殊工況進(jìn)行分析，得出這些工況下C形板的受力和變形，證明了安裝過程設(shè)計的安全合理。

［1］ 樊兆馥．機(jī)械設(shè)備安裝工程手冊 ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2004．

［2］ 樊兆馥．重型設(shè)備吊裝手冊 ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2006．

［3］ 王勖成．有限單元法 ［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2003．

［4］ 張朝暉，李樹奎．ANSYS11．0有限元分析理論與工程應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008．