壓曲機機架的有限元優化分析

邢耀文

（山西杏花村汾酒集團有限責任公司，山西汾陽032205）

0 引言

汾酒素以入口綿、落口甜、飲后余香、回味悠長特色而著稱，是中國四大名酒之一［1］。曲塊的好壞在很大程度上直接影響到酒的質量和特色，釀出優質白酒的前提是制出優質的曲塊。汾酒集團最初采用人工方法制曲，人工踩曲所形成的曲塊質量較好，但工人勞動強度大、工作環境差、效率較低［2］。隨著國內工業產業的發展，機械制曲逐漸代替了人工踩曲，機械制曲效率高，工人勞動強度低［3］。本文以汾酒集團大曲廠曲塊生產設備中所使用的第二代液壓壓曲機為例，介紹其基本機構及工作原理，并對其機架底座部分進行了有限元優化分析。

1 壓曲機總體結構及工作原理

液壓壓曲機曲塊壓制部分的總體結構示意如圖1所示，其主要包括動力部分、機架底座、機架上盤、壓曲轉盤、龍門架組件、橫梁組件和壓錘組件等。

圖1 液壓旋轉壓曲機壓曲部分結構示意圖

橫梁組件和壓錘組件通過龍門架固定在機架底座上，曲塊模盒安裝在壓曲轉盤上，位于壓錘組件的正下方且與其形成互相配合關系，以壓制曲塊。

本裝置的動力源為液壓馬達，由液壓馬達帶動壓曲轉盤轉動，曲塊模盒固定于壓曲轉盤之上。橫梁兩端分別通過一個液壓油缸與龍門架相聯，液壓油缸的伸縮帶動橫梁的上下運動，進而帶動壓錘組件的上下運動。八個曲塊模盒對應八個壓錘組件，曲塊模盒在壓曲轉盤上轉動一個位置，液壓缸運動一次，帶動橫梁和壓錘組件對曲料踩壓一次。曲料從進入壓曲模盒到壓制成曲塊共經過七次踩壓，最后一次直接將成型的曲塊壓出模盒，掉落到輸出傳送帶上。

2 機架三維建模

在液壓旋轉壓曲機中，機架底座是主要的承載部件，其強度和變形直接影響設備的可靠和產品的矯平精度［4］，因此，有必要對機架底座進行三維建模并進行有限元分析研究。在壓曲機中，機架下與地面固定連接，上則承受壓曲主機的所有重量，機架主要采用矩形空心型鋼焊接而成，并在與地面相連接的位置處焊接有帶有螺紋孔的鋼板。對機架底座在SolidWorks中進行三維建模，模型如圖2所示。

圖2 機架底座三維模型

3 有限元優化分析

3.1 網格劃分

在Engineering Data中定義機架底座的材料屬性，選用工程數據材料庫中的結構鋼。導入在SolidWorks中建立好的機架底座三維實體模型后，將材料屬性賦予機架。網格劃分是有限元前處理中的主要工作，也是整個有限元分析的關鍵工作，網格劃分的質量和優劣將對計算結果產生相當大的影響［5］。本文中采用默認方式對機架底座進行網格劃分，劃分后的機架底座具有56 944個節點，8 152個單元，機架底座的有限元模型如圖3所示。

3.2 有限元分析

機架底座主要承受機架上盤、壓曲轉盤、龍門架組件、橫梁組件、壓錘組件以及在踩壓過程中壓力系統的下壓力，通過估算得出，機架底座所承受總的壓力約為70 000 N。機架底座上面受壓，下面通過10個地腳板與地面連接。因此，設置時約束10個地腳板，并且對機架上面添加均布載荷。進行計算求解，最終得出機架的等效應力、等效應變和總變形云圖，分別如圖4～圖6所示。

圖3 機架有限元模型

圖4 等效應力云圖

圖5等效應變云圖

圖6 總變形云圖

結果顯示，機架的最大等效應力為183.4 MPa，發生在邊角處；最大等效應變為9.2×10-4，同樣發生在邊角處；最大變形量為0.94 mm，發生在型鋼中間處。由此可見，機架的最大等效應力和最大變形量都較小，但其最大等效應力接近結構鋼的屈服強度（這里以Q235為例，其屈服強度為185 MPa），因此，有必要對此機架底座進行結構優化，以保證使用過程中的安全。

3.3 結構優化

通過以上對機架底座的應力和應變的分析，找出機架底座結構中的薄弱部位［6］，在保證機架性能的前提下，不改變整體形狀的同時盡可能的使機架質量不要過大。優化后的機架模型如圖7所示，在等效應力及等效應變最大的邊角處適當的加上角撐板。

圖7 結構優化后的機架底座模型圖

同樣，在ANSYS Workbench中對優化后的機架底座劃分網格，然后施加相同的約束和載荷，即10個地腳板地面為固定約束，機架上承受均布載荷。然后進行計算求解，最終得出優化后機架的等效應力、等效應變和總變形云圖，分別如圖8～圖10所示。

圖8 優化后機架的等效應力云圖

圖9 優化后機架的等效應變云圖

圖10 優化后機架的總變形云圖

結果顯示，機架的最大等效應力為116.82 MPa，最大等效應變為5.8×10-4，最大變形量為0.57 mm。與優化前相比，優化后的機架底座總體性能有了大幅度的提高，其安全性可靠性更強。

4 結論

通過SolidWorks對液壓旋轉壓曲機機架底座進行三維建模并運用ANSYS Workbench對機架底座進行有限元分析，在有限元分析的基礎上進行了結構優化設計。優化后的機架底座總體性能有了大幅度的提高，不但滿足工程使用需求，而且提高了機架底座的結構強度，提高了其工作的安全可靠性，并為機架的設計提供了依據。

［1］ 閻恩俊.山西汾酒發展史上的一件珍貴史料［J］.史海揭秘.，22（1）：44-45.

［2］ 付捷，崔勇，羅鋼，等.新型酒廠曲塊粉碎除塵成套設備研制［J］.釀酒科技，2008（7）：47-49.

［3］ 韓建華，寇子明.曲料輸送系統的研究［J］.機械管理開發，2009，24（2）：37-39.

［4］ 王琳，王靜，盛步云.七輥矯正機機架的有限元分析與優化［J］.武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2012，34（1）：34-37.

［5］ 郭威.帶式輸送機卸載架有限元分析［J］.機械管理開發，2013（3）：122-124.

［6］ 王耀.液壓擺式剪板機機架有限元分析［D］.上海：同濟大學，2006.