壓磚機(jī)的裝機(jī)架設(shè)計(jì)及優(yōu)化

周性聰 楊金輝 鄧耀順

摘 要：裝機(jī)架是大型陶瓷液壓自動(dòng)壓磚機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)壓磚機(jī)）在使用現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)的裝配設(shè)備，用作動(dòng)梁油缸副的組裝。裝配設(shè)備的強(qiáng)度及可靠性，關(guān)系到壓磚機(jī)的裝配質(zhì)量和操作人員的人身安全。完善的裝配工裝有助于大型壓磚機(jī)的拆裝運(yùn)輸，可降低路橋運(yùn)輸壓力，擴(kuò)寬了大型壓磚機(jī)的設(shè)計(jì)思路。本文分別從理論計(jì)算、有限元分析探討了裝配設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。實(shí)踐證明，本文的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法對(duì)裝配設(shè)備的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：有限元仿真；裝配設(shè)備；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 前言

近年來(lái)，人們對(duì)大規(guī)格陶瓷磚產(chǎn)品的需求量劇增，使得大型壓磚機(jī)，尤其是寬臺(tái)面的大型壓磚機(jī)一直受到追捧，已逐漸成為今后國(guó)內(nèi)建筑陶瓷市場(chǎng)的一大需求熱點(diǎn)[1]。大規(guī)格陶瓷磚的生產(chǎn)，要求壓磚機(jī)提供更高壓制力、較大的壓制面積。促使壓磚機(jī)往更大型的方向發(fā)展，相應(yīng)的零部件重量也跟著不斷增大。以恒力泰的YP7200L型壓磚機(jī)為例，其主機(jī)重量約為186.5t，動(dòng)梁油缸副重量約為30t[2]。

大型壓磚機(jī)龐大的重量，使得路橋運(yùn)輸面臨十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。把壓磚機(jī)拆分運(yùn)輸至用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)裝配成為日后發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于壓磚機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)裝配受到場(chǎng)地環(huán)境、地表質(zhì)量等諸多不確定因素的影響，大型零部件的裝配難度大幅提高。所以現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)使用的裝配設(shè)備必須有很高的強(qiáng)度和可靠性。

本文分別從理論計(jì)算設(shè)計(jì)、有限元分析等方面，對(duì)YP7200L壓磚機(jī)的動(dòng)梁油缸副現(xiàn)場(chǎng)裝機(jī)架進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

2 裝機(jī)架結(jié)構(gòu)概述及工況分析

根據(jù)壓磚機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求，壓磚機(jī)前方有一堵高達(dá)地表的水泥墻，壓磚機(jī)至水泥墻之間需要留空，水泥墻外面并沒(méi)有對(duì)地表質(zhì)量提出詳細(xì)要求。一般水泥墻外面是堆土層加薄水泥地面，并不具備承受高壓強(qiáng)的能力。所以裝機(jī)架以水泥墻頂部及壓磚機(jī)底座上平面作為主要的支撐位置。圖1為裝機(jī)架的工況示意圖。

3 裝機(jī)架結(jié)構(gòu)的確定及力學(xué)模型的建立

考慮到裝機(jī)架主要起到支撐和導(dǎo)向作用，在使用過(guò)程中承受彎矩為主。而對(duì)于整體機(jī)架的各支架橫截面，空心的長(zhǎng)方形截面在相同材料情況下能承受更大的彎矩[3]。從充分利用材料的力學(xué)性能方面考慮，裝機(jī)架的主要材料選用矩形鋼。根據(jù)裝機(jī)架使用的環(huán)境，及使用的方便性等因素，決定裝機(jī)架采用梁式桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2，力學(xué)模型見(jiàn)圖3。AB段作為主梁承受彎矩，橫截面積為 A1；其余的AC、CD、EC、FD和BD段作為桿件只承受軸向力，各桿橫截面積皆為A。

4 裝機(jī)架力學(xué)模型的計(jì)算

圖3的力學(xué)模型為靜不定結(jié)構(gòu)，可用力法求解。將CD桿切開(kāi)，并以其軸力X1代替節(jié)點(diǎn)C、D之間的約束，得到基本靜力系（圖4）。設(shè)基本靜力系在單獨(dú)作用下（圖5），切口兩側(cè)截面沿X1方向的相對(duì)位移為△1p；在單位力1的作用下（圖6），切口兩側(cè)截面沿X1方向的相對(duì)位移為δ11。由變形協(xié)調(diào)條件可知：

△1p+δ11X1=0（1）

E——裝機(jī)架材料的彈性模量；

I——主梁橫截面對(duì)其中性軸的慣性矩。

把△1p和？啄11代入式（1）可解出：

式（5）的第一項(xiàng)表示載荷p單獨(dú)作用下的撓度，第二項(xiàng)表示X1單獨(dú)作用下的撓度。

5 機(jī)架受力變形計(jì)算

YP7200L裝機(jī)架方案參數(shù)如下：主梁采用150mm×100mm×8mm矩形鋼；桿件采用50mm×25mm×3mm矩形鋼；p=300kN；a=330mm；E=200GPa；A1=35.8cm2；A=3.9cm2；I=1039.1cm4；W=138.5cm3。

把上述參數(shù)代入式（3）、（4）、（5）可算得：

最大彎矩Mmax=18422.54Nm；

最大彎曲應(yīng)力？滓max=132.97MPa；

主梁AB中段撓度f(wàn)=-0.24mm，負(fù)號(hào)表示方向?yàn)樨Q直向下。

6 有限元分析及優(yōu)化

用有限元分析方法對(duì)力學(xué)模型理論計(jì)算進(jìn)行校核驗(yàn)證，由于此結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故可以只取四分之一模型計(jì)算，這樣可以提高計(jì)算效率。Solidworks軟件可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)有限元分析的幾何模型建模、網(wǎng)格劃分、加載、運(yùn)算和后處理等過(guò)程，可以直觀地查看到危險(xiǎn)點(diǎn)，運(yùn)行得出的詳細(xì)參數(shù)為實(shí)際模型制造提供了改進(jìn)建議，非常適合機(jī)械工程設(shè)計(jì)人員使用[4]。因此，本次計(jì)算采用SolidWorks2007 Cosmos進(jìn)行運(yùn)算。

按實(shí)際尺寸建好三維模型后，其有限元分析計(jì)算過(guò)程如下：

（1） 施加約束條件：在對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束，按簡(jiǎn)支梁的邊界條件施加中部集中載荷P和端部豎直方向約束；

（2） 劃分網(wǎng)格；

（3） 運(yùn)行分析；

（4） 后處理，其模擬圖如圖7～圖10所示。

通過(guò)理論計(jì)算和有限元分析，可以分別算出裝機(jī)架中部（危險(xiǎn)位置）的彎曲應(yīng)力和撓度，兩者列表對(duì)比見(jiàn)表1。可見(jiàn)，有限元分析結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果非常接近。

矩形鋼的材料為Q235-A，屈服強(qiáng)度？滓S=235MPa。對(duì)于用作承載用途的裝機(jī)架，需要與吊車(chē)等起重設(shè)備配合使用，不可避免的會(huì)導(dǎo)致裝機(jī)架局部位置受到瞬間高強(qiáng)度的沖擊。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)提供的安全系數(shù)選定條件及推薦值，選定安全系數(shù)S=3～5（按抗不穩(wěn)定計(jì)算）。上述方案的安全系數(shù)，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要通過(guò)有限元優(yōu)化計(jì)算來(lái)降低最大彎曲應(yīng)力，提高安全系數(shù)。

從提高材料利用率的角度出發(fā)，并綜合考慮加工、安裝的便利性，經(jīng)過(guò)有限元分析校核，優(yōu)化后的模型見(jiàn)圖11。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力，裝機(jī)架的主梁和桿件全部采用150mm×100mm×8mm矩形鋼，并在主梁上部和兩側(cè)連接處焊接20mm厚鋼板。

同樣地，采用四分之一模型，按與前面敘述相同的加載和約束進(jìn)行分析。分析的第一主應(yīng)力云圖和變形圖見(jiàn)圖12、圖13。優(yōu)化后，最大彎曲應(yīng)力減至56.12MPa，安全系數(shù)裝機(jī)架的抗彎能力的得到了加強(qiáng)，最大撓度減至-0.11mm。優(yōu)化后，裝機(jī)架的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本文首先通過(guò)理論方法和有限元仿真校核了YP7200L壓磚機(jī)裝機(jī)架方案的強(qiáng)度與剛度；然后在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)；最后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核。在“設(shè)計(jì)—校核—優(yōu)化設(shè)計(jì)—校核”的過(guò)程中，使用有限元分析的方法，不需要繁瑣的理論推導(dǎo)，能帶來(lái)很高的分析效率，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性，降低意外發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)裝機(jī)架進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化時(shí)，出于最不利受力情況考慮，把裝機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)定為上承式的桁架結(jié)構(gòu)，實(shí)際上裝機(jī)架靠近水泥墻的一邊，可設(shè)計(jì)成雙梁式的桁架結(jié)構(gòu)。按照優(yōu)化后方案制造出來(lái)的裝機(jī)架已經(jīng)投入使用，從使用效果來(lái)看，本裝機(jī)架能很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)裝機(jī)的需要。

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