基于有限元的重型雙柱立車橫梁結(jié)構(gòu)分析

邢明德，吳小露

（齊齊哈爾二機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心設(shè)計(jì)研究院，黑龍江齊齊哈爾 161005）

1 引言

在重型立車結(jié)構(gòu)中，橫梁是關(guān)鍵部件，直接決定機(jī)床整體加工性能，其內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)布置對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及抗振性具有重要影響。本文以最大加工直徑為6300mm 重型立車橫梁為研究對(duì)象，從橫梁加載刀架后靜剛度和增加卸荷裝置等方面分析橫梁導(dǎo)軌變形情況，為大跨度橫梁設(shè)計(jì)及預(yù)先橫梁導(dǎo)軌撓度加工提供充分理論依據(jù)。

2 橫梁有限元模型建立

重型立車橫梁部件主要由橫梁、刀架滑枕、橫梁滑座等部分組成，橫梁整體采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接后時(shí)效處理，導(dǎo)軌等關(guān)鍵部分材料采用45 鋼增加其剛性，內(nèi)部筋板材料采用Q235A，內(nèi)部采用十字筋板及交叉斜筋板焊接結(jié)構(gòu)，筋板為中心開方孔結(jié)構(gòu)，減少重量并且增加其強(qiáng)度及抗振性。橫梁總長(zhǎng)95500mm，最大寬度1000mm，筋板厚度25mm，導(dǎo)軌厚度80mm，卸荷導(dǎo)軌及卸荷輥?zhàn)游挥跈M梁上側(cè)，如圖1 所示。

橫梁總重量為18462kg，45 鋼彈性模量為2×105MPa，密度7850kg/m3，泊 松 比0.29，Q235A 彈 性 模量為2.1×105MPa，密度7800kg/m3，整體采用ANSYS Workbench智能網(wǎng)格劃分，導(dǎo)軌采用局部網(wǎng)格細(xì)化方式，橫梁網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖1 橫梁主、副導(dǎo)軌和卸荷機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 橫梁靜力學(xué)分析

圖2 橫梁網(wǎng)格劃分模型

橫梁靜態(tài)分析過程中主要受到3個(gè)力的作用：分別是橫梁自身重力、橫梁滑座壓力、刀架滑枕壓力。為了便于計(jì)算刀架滑枕及橫梁滑座的作用力，分別以質(zhì)點(diǎn)形式加載到橫梁導(dǎo)軌上，本文從兩方面入手：（1）橫梁加載刀架后導(dǎo)軌變形情況；（2）橫梁導(dǎo)軌增加卸荷裝置后導(dǎo)軌變形情況。

3.1 滑座刀架作用在橫梁上時(shí)加載邊界條件

橫梁兩側(cè)與立柱相結(jié)合部位設(shè)置為固定接觸，滑座刀架位于橫梁中心位置時(shí)是變形量最大位置?；都苎b配體重力以質(zhì)點(diǎn)形式加載在導(dǎo)軌上，ANSYS中設(shè)置加載力為Remote Force，大小為71300N。加載情況如圖3 所示。

圖3 應(yīng)力加載位置圖

經(jīng)ANSYS 運(yùn)算后得出橫梁總變形云圖，如圖4 所示。從圖中可以看出最大變形發(fā)生在主導(dǎo)軌位置，最大變形為0.13467mm，這已超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.02mm/m 所要求的范圍。采用預(yù)先橫梁導(dǎo)軌撓度加工，加工撓度也不會(huì)達(dá)到0.1mm/m，因此采用預(yù)先橫梁導(dǎo)軌撓度加工后變形量也會(huì)超過0.034mm，未滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 加載滑座刀架后橫梁總應(yīng)變?cè)茍D

3.2 加載卸荷裝置時(shí)橫梁加載邊界條件

此時(shí)設(shè)置固定位置、滑座刀架重力加載與圖3 相同，唯一不同之處是卸荷輥?zhàn)恿虞d在橫梁上側(cè)卸荷導(dǎo)軌上，如圖5 所示。

圖5 增加卸荷輥?zhàn)討?yīng)力加載位置圖

計(jì)算結(jié)果經(jīng)ANSYS 運(yùn)算后得出加載卸荷裝置橫梁總變形云圖如圖6 所示。從圖中可以看出，最大變形量為0.077055mm，與圖4 相對(duì)比變形量減小近一半，可以看出增加卸荷裝置后作用力一部分被分配到卸荷導(dǎo)軌上去，減小了主導(dǎo)軌壓力，在采用預(yù)先橫梁導(dǎo)軌撓度加工后，完全可以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.02mm/m。

圖6 加載滑卸荷裝置后橫梁總應(yīng)變?cè)茍D

4 結(jié)論

以橫梁為研究的對(duì)象，從有限元理論方面進(jìn)行分析，增加卸荷裝置后減小主導(dǎo)軌壓力，從而控制導(dǎo)軌變形量，以應(yīng)用理論計(jì)算來指導(dǎo)加工工藝。

［1］羅傳林，李鍛能.龍門式機(jī)床橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2006（3）：18-21.

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