70MN液壓機橫梁機加工翻身用吊耳設計研究

王令寶，裴家路，胡俊煒

（北方重工集團有限公司 壓延設備分公司，遼寧 沈陽 110141）

70MN液壓機橫梁機加工翻身用吊耳設計研究

王令寶，裴家路，胡俊煒

（北方重工集團有限公司 壓延設備分公司，遼寧 沈陽 110141）

針對70MN液壓機三大梁鋼板焊接加工特點，通過類比法開發設計了用于機加工翻身用吊耳裝置，并通過理論分析和有限元仿真計算，對其設計強度進行校核驗證，最終滿足設計使用要求。

液壓機；有限元分析；結構優化設計；吊耳

液壓機是一種以液體為工作介質來傳遞能量以實現各種工藝的設備[1]。液壓機被廣泛應用于機械工業的許多領域，包括自由鍛造、模鍛、沖壓等[2]。

北方重工集團有限公司是國內設計制造大型壓機的主要廠家之一。此次設計開發的70MN葉片專用液壓機主要應用于大型葉片的熱模壓制成型，本設備制品具有葉片尺寸大、成型工作行程長、葉片模壓成型溫度高、成型保壓時間長等特點[3]。為滿足大型葉片壓制需要，該設備立柱中心距設計為6400mm×4000mm，移動工作臺尺寸達到6000mm× 5000mm。

該壓機采用三梁四柱結構形式，設計人員根據以往經驗，在吸收國內外先進技術的基礎上，將壓機三大橫梁由原鑄造結構改為鋼板焊接結構[4]。雖然經過多次優化設計，三大橫梁單件重量依然很大，其中上橫梁重量達162t，活動橫梁重量達120t，下橫梁重量達235t，給該件的加工制造帶來極大困難。尤其是上、下橫梁在加工過程中需要兩次翻身裝卡，而原設計時未考慮機加工過程中需要吊裝，只設計了用于安裝用起吊吊耳，該吊耳無法實現工件翻身。為此，技術人員根據工件實際情況，研發設計了用于機加工翻身用起吊吊耳。

1 吊耳設計

以往北方重工設計的橫梁均為鑄造結構，橫梁吊耳多為直接鑄造成形，或利用鑄造件清砂孔實現調運、加工等工序。本次設計中為了降低重量，優化結構，將三大橫梁改為鋼板焊接結構，由于設計時未考慮加工翻身吊裝問題，使原設計吊耳無法滿足現場加工工藝要求。而目前通用的吊裝推薦吊耳中最大起吊吊耳為75t，因此也未有現成吊耳可以選用，只有自行摸索。經過技術人員多方努力，最終在參考一件法國某公司重300t的焊接件吊耳情況下，經過多次優化計算，最終完成吊耳設計方案，并形成圖紙，吊耳鋼板材料均為16Mn[5]。

圖1 下橫梁翻身用吊耳位置及吊耳尺寸圖

2 校核驗證

2.1 理論分析

對于三大橫梁翻身用吊耳設計，首先對其進行理論分析。

如圖2所示橫梁受力分析圖，由于壓機為對稱結構，因此重心在壓機重心線上，即G位于中心線上。

對圖2a壓機橫梁支點取力矩平衡：

圖2 橫梁受力分析簡圖

（1）上橫梁繩索受力計算

上橫梁重量G=165t（實際重量162t，安全起見按165t計算）。取H=4700mm，由公式Ⅱ計算得φ=43°，由公式Ⅰ計算得每根繩索拉力P=44.3t。

為保證安全，取每根繩索拉力為P= 1.2×44.3≈53t，即單個吊耳受力53t。

（2）活動橫梁繩索受力計算

活動橫梁重量G=125t（實際重量120t，安全起見按125t計算）。取H=2100mm，由公式Ⅱ計算得φ=20°，由公式Ⅰ計算得每根繩索拉力P= 31.7t。

為保證安全，取每根繩索拉力為P=1.2× 31.7≈38t，即單個吊耳受力38t。

（3）下橫梁繩索受力計算

橫梁重量G=240t（實際重量 235t，安全起見按240t計算）。取H=4000mm，由公式Ⅱ計算得φ= 37°，由公式Ⅰ計算得每根繩索拉力P=62.7t。

為保證安全，取每根繩索拉力為P=1.2×62.7= 75t，即單個吊耳受力75t。

由上述分析可知，下橫梁的吊耳受力最大。為保證安全，下橫梁每個吊耳受力取750kN。

在上橫梁和活動橫梁中，上橫梁受力最大。上橫梁和活動橫梁吊耳形式一致，故按上橫梁最大受力進行有限元計算，假設最大受力為650kN（實際受力為530kN，這樣計算更安全）。

2.2 有限元校核計算

2.2.1 下橫梁吊耳有限元分析

下橫梁吊耳布置圖如圖3所示。加載條件：卸扣垂直向上拉力為750kN（實際受力62.7t），有限元計算模型如圖4所示，吊耳孔直徑覬125mm，卸扣軸直徑覬120mm，吊耳材質16Mn，其屈服強度σs≥340MPa，所有尺寸按施工圖建立模型。考慮吊耳使用條件為非經常使用，一般使用次數不超過 10次，安全系數可取1.3。吊耳一般破壞為焊口斷裂，因此各處焊口處的拉應力最為關鍵，吊耳拉應力區許用應力為180MPa。圖 5為下橫梁吊耳有限元計算應力云圖，通過有限元分析結果可知，吊耳孔與卸扣軸接觸區域壓力較高，達到 230MPa，但該區域為壓應力區，不會產生斷裂現象，故不會影響使用。吊耳其他部分應力較低，小于100MPa，吊耳除吊耳孔與卸扣軸接觸區域外，均處于安全范圍。

圖3 下橫梁吊耳布置圖

圖4 吊耳三維簡圖

圖5 下橫梁吊耳有限元計算應力云圖

（2）上橫梁（動梁）吊耳有限元分析

上橫梁吊耳位置圖如圖6所示。加載條件：卸扣垂直向上拉力為 650kN（實際受力53t）。因此，實際應力值低于本分析結果。有限元計算模型如圖7所示，吊耳孔直徑覬125mm，卸扣軸直徑覬120mm，所有尺寸按施工圖建立模型。

圖6 上橫梁吊耳位置圖

圖7 吊耳三維模型圖

由圖8有限元分析結果可見，吊耳孔與卸扣軸接觸區域壓力較高，達到340MPa，但該區域為壓應力區，不會產生斷裂現象，故不會影響使用。吊耳其他部分應力較低，小于140MPa。吊耳材料均為16Mn鋼板，其屈服強度為340MPa，拉伸強度為500MPa，吊耳除吊耳孔與卸扣軸接觸區域外，均處于安全范圍。

圖8 吊耳有限元應力云圖

3 實物驗證及結論

經過前期多次計算分析、論證，最終形成設計圖紙。由于采用了加工翻身用工藝吊耳的設計結構，大大縮短了三大橫梁的加工周期，杜絕了因加工翻身吊運帶來的安全風險。經現場實際檢驗，方便實用，安全可靠。如圖9、10所示。

圖9 下橫梁實物及吊耳

圖10 機加工現場吊運翻身

[1] 姚保森.我國鍛造液壓機的現狀及發展[J].鍛壓裝備與制造技術，2005，40（3）.

[2]劉振堂.我國鍛造機械行業現狀概況[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（4）.

[3]俞新路.液壓機現代設計理論[M].北京：機械工業出版社，1987.

[4]楊秀萍，宗升發.液壓機結構設計的有限元法[J].重型機械，2003，（6）.

[5]武建宏.直立設備版式吊耳強度計算[J].石油化工設備，2004，（7）.

Study on the design of lifting lug for turning during three beams machining process of 70MN hydraulic press

WANG Lingbao，PEI Jialu，HU Junwei
（Steel Rolling Mill and Forging Press Equipment Branch,NHI Group,Shengyang 110141,Liaoning China）

Aiming at the characteristics during welding process of three beam steel plate in 70MNhydraulic press,the device of lifting lug for turning during machining process has been developed and designed by use of analogy method.Throughtheoretical analysis andfinite element simulation calculation,the design strength has been checked and verified.Finally,it can satisfy the turning work during machining process.

Forging Press；Finite element analysis；Structural optimized design；Lifting lug

TH123+.4；TG315.4

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.007

1672-0121（2016）02-0034-03

2015-09-06；

2015-10-27

王令寶（1983-），男，碩士，工程師，從事大型液壓機、鋼板剪切機、軋機等研發設計。E-mail:13889153635@163.com