液壓機插入式立柱性能分析

車永順，霍 光，李 宣，祁 建

（沈陽北方重工有限公司 設計研究院，遼寧 沈陽 110141）

0 引言

目前，我國液壓機主體機架絕大多數為傳統的立式上傳動三缸、三梁、四柱式結構，且采用全預緊組合機架模式。即用長拉桿將上、下橫梁與立柱緊固在一起，立柱兩端面分別與上橫梁下端面和下橫梁上端面平齊貼合，再由設置在拉桿兩端的螺母施加一定的預緊力組成一個近似剛性框架。其立柱與上、下橫梁的接觸面由徑向方向設置的平鍵來定位，如圖1所示。

圖1 傳統平面接觸式立柱結構

近年來，隨著壓機設備噸位的逐漸增大，越來越多的用戶發現，這種傳統平面接觸式立柱結構的壓機抗偏載能力較差，立柱與上、下橫梁的接觸面在壓機受到較大偏載時會出現開縫現象。因此，對于受偏載較大的壓機，建議采用一種新型的立柱插入式機架結構。該插入式立柱機構是在傳統立柱結構的基礎上，將圓立柱插入上、下橫梁一定深度，然后同樣在拉桿上施加預緊力，使壓機形成一個近似的剛性框架，這樣立柱可以承受較大的水平載荷，比傳統結構的壓機能承受更大的偏心載荷。

雖然插入式立柱結構可以提高壓機的偏載能力和降低壓機的預緊力，但立柱在上、下橫梁的插入深度對壓機的應力狀態、變形和接觸情況的影響，則沒有具體的解決措施和計算方法。本文就立柱不同的插入深度進行三維建模，用ANSYS軟件進行數值分析，得出不同插入深度下機架的應力狀態、變形及立柱和上、下橫梁的接觸狀況；研究結果對鍛造壓機及同類預應力機架結構的設計具有一定的參考價值。

1 插入式立柱的結構與特點

插入式立柱結構如圖2所示，主要由立柱1、內錐套2、外錐套3、拉桿4、上橫梁5、下橫梁6和螺母7組成。外錐套緊緊壓著內錐套，內錐套為分體式，整體加工完成后切成兩半，內、外錐套采用具有一定錐度的套筒，保證內錐套與立柱的緊密貼合。計算機架模型，可以得出該插入式立柱中間點位置所受最大彎矩比傳統平面接觸式立柱要小一半，且產生的撓度僅為后者的1/4。

圖2 插入式立柱結構

插入式立柱具有如下特點：①立柱插入上、下橫梁中，且采用錐套與立柱結合可使立柱與上、下橫梁的結合更加緊密，整體壓機更加接近剛性框架，壓機的變形減小；②整體壓機的抗偏載能力提高；③壓機預緊力減小，應力降低。

2 機架有限元模型建立

為研究立柱在上、下橫梁內的插入深度對壓機的抗偏載能力、機架受力和立柱與上、下橫梁接觸狀態的影響，本文運用有限元軟件ANSYS分別對同臺壓機、立柱不同插入深度下機架的應力狀態、變形及立柱和上、下橫梁的接觸狀況展開系統深入的研究，找出合適本臺壓機的插入深度。

本文取已經有實際應用的35MN鍛造壓機模型進行無偏載和有偏載兩種情況來分析研究。由于機架大體對稱，為節約計算時間，簡化分析過程，取整體壓機的1/4模型為研究對象，在模型對稱面上施加相應的對稱約束，不影響計算結果。

具體實施：①網格劃分；②預緊條件：取等效預緊系數1.4，則單根拉桿預緊力12.25MN；③工況條件：公稱壓力35MN，無偏載，作有偏載分析時，在立柱中心位置0.4m2的面上施加16MPa壓強；④在上、下橫梁和立柱結合面上采用有摩擦的接觸類型，摩擦系數取0.15，算法為罰函數法；⑤在活動橫梁和立柱接觸處預置間隙0.7，設置接觸類型無摩擦，其余接觸類型均為固結，如圖3所示。整體性分析時，劃分預緊載荷步和工作載荷步兩步分析，且假設材料各向同性。

3 計算結果對比分析

圖3 1/4模型網格及加載工況

上橫梁拉桿處高度為1620，下橫梁拉桿處高度為1600，現分別取插入上橫梁深度為640、720、800、960、1120。考慮到實際壓機工作時不可避免地存在晃動，立柱下部受力較上部大，立柱插入下橫梁深度比上橫梁大些，取1000。分別計算這5種不同插入深度對壓機的應力狀態的影響，檢測上橫梁、立柱的受力情況以及上、下橫梁和立柱的接觸面是否有開縫出現等。

由于分析的數據圖量較多，本文以圖表形式表達，更為清晰明了。圖4為無偏載情況時的上橫梁、立柱受力狀態和立柱與上、下橫梁的接觸狀態。圖5為壓機受偏載力時的上橫梁、立柱受力狀態和立柱與上、下橫梁的接觸狀態。

圖4 無偏載時立柱與上橫梁受力及接觸狀態

圖5 有偏載時立柱與上橫梁受力及接觸狀態

由上述圖表可知，不論壓機是否受偏載力作用，不同的插入深度對壓機受力和接觸狀態都有一定影響，且在立柱插入深度為800mm～960mm時，壓機受力和開縫情況比較良好，整體性保持最好。

綜上，本壓機在立柱插入深度為800mm～960mm（即上橫梁高度的50%～60%）時，壓機的整體性能最好，承載能力穩定，最能滿足設計要求。

4 結論

（1）在相同的預緊系數及工作狀況下，立柱插入上橫梁的深度對壓機的變形和橫梁的應力有較大影響，插入式立柱的相對變形有較大幅度減小，插入式立柱相對剛度增強。

（2）插入式立柱使壓機抗偏載能力提高，該研究結果對鍛造壓機及同類預應力機架結構的設計具有一定的參考價值。

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