100MN三梁四柱模鍛壓機主機架結構設計分析

文／魏強，石慧·中國鍛壓協會劉川·二十二冶集團精密鍛造有限公司

100MN三梁四柱模鍛壓機主機架結構設計分析

文／魏強，石慧·中國鍛壓協會劉川·二十二冶集團精密鍛造有限公司

本文設計的單缸三梁四柱壓機為100MN大型模鍛壓機，主機架作為承載工作壓力的部件是該壓機的重要組成部分。基于主工作缸結構尺寸與工作壓力，主機架的設計制造不僅關系到壓機的工作安全和使用壽命，同時也為壓機的維護提供方便，降低壓機的制造成本。文中通過對壓機機架預緊狀態和工作狀態下的模擬分析，對機架結構的剛度、強度進行校對，確保機架在額定狀態下能夠安全穩定的工作。該壓機的分析計算為大型模鍛壓機機架提供了設計方案與校對方法。

三梁四柱結構是最常見的壓機形式，因其結構簡單，便于維護，經濟實用等特點，被廣泛應用于各種用途的壓機設計。工作缸的結構尺寸決定了壓機的工作能力，壓機本體機架的設計要保證主工作缸最大載荷工作狀態下能夠穩定可靠的運行。作為液壓機本體核心結構，機架的機械設計是本體設計的重要組成部分。本文設計的100MN單缸三梁四柱液壓機，經SolidWorks模擬分析，直觀的展示了壓機在預緊狀態與工作狀態機架本體各個部分的受力情況與變形程度，為壓機的優化設計提供了便利的條件與可靠的依據。

本文設計的100MN單缸模鍛三梁四柱壓機，主工作缸外徑2400mm，有效行程1300mm，工作油壓32MPa。在工作缸安全可靠、結構確定的情況下，主要對模鍛壓機的機架進行設計分析，并通過模擬校驗，對壓機本體的承載能力進行驗證。主機架是本壓機承載載荷的重要組成部分，其設計的合理性直接關系到整個模鍛壓機的安全穩定與制造成本。本體（機架）主要包括底座、下橫梁、活動橫梁、上橫梁、立柱、螺桿等，經初步計算主體機架重量約400噸，高度約10米，最大鑄件重量可達110噸。在保證壓機安全穩定運行的情況下，主機架的結構設計不僅影響到壓機的使用壽命，在機架的加工、制造、安裝、調試、維護等方面也體現出結構設計的優劣性，高效低成本的設計是一臺壓機制造工藝水平的直接體現。100MN單缸三梁四柱模鍛壓機采用預應力式組合框架結構，在大型液壓機制造過程中，組合式框架將機架各部分單獨鑄造、焊接進行相關熱處理，為機架的機械加工提供了便利。而預應力式框架結構相比整體式框架減少了局部應力集中，提供了機架的疲勞抗力與壓機承載能力，保證了壓機的可靠運行，在本體結構中，很大程度的降低了壓機重量。為確保壓機本體的設計合理有效，利用SolidWorks分別模擬計算預應力機架在預緊狀態和工作狀態下機架剛度與強度的承載情況。

本體機架預緊力

三梁四柱模鍛壓機各部分受力結果如下： ⑴主工作缸最高工作壓力：100MN；⑵主機架在最高工作壓力下的總預緊力：130MN；⑶主機架共有4根立柱，每根立柱中包含4根螺紋拉桿，每根拉桿在最高工作壓力下的預緊力為8.2MN。

主機架的材料參數

上橫梁、活動橫梁、下橫梁材料為ZG20SiMn，該材料彈性模量E=2.1×1011Pa；泊松比μ=0.29；屈服強度σs≥327MPa；抗拉強度σb≥516MPa。

四根立柱材料為Q345，該材料彈性模量E=2.06×1011Pa； 泊 松 比μ=0.28； 屈 服 強 度σs≥345MPa；抗拉強度σb≥470MPa。

機架結構模擬分析

機架模型建立

主機架模型為三梁四柱結構，機架尺寸為4300mm×2820mm×905mm，上橫梁與下橫梁通過四根立柱對接，立柱中空，每根立柱內包含4根拉桿，通過拉桿提供預緊力維持壓機穩定運行。立柱不僅支撐上橫梁與下橫梁，使其在預緊狀態保持本體穩定，同時也為活動橫梁提供水平方向導向平衡。根據SolidWorks模擬分析的要求，本次模擬算例對主機架作了相應模型簡化工作。與此同時，對三梁四柱模鍛壓機進行分析計算時，考慮到整體計算時，由于零件較多，劃分整個機架網格運算，往往會遇到網格無法劃分，或者在整個模型網格劃分后，計算機運算時間較長等一系列問題。本模型在水平方向為前后和左右分別對稱的結構，所以，對機架模型簡化為四分之一，即單根立柱與四分之一橫梁的算例進行分析計算。

模型簡化后，分別對預緊狀態與工作狀態下的模型進行靜應力算例分析，其網格劃分如圖1所示。左圖為預緊狀態時機架模型網格劃分，包括對立柱，上橫梁，下橫梁部分的劃分，其他本體部分在預緊狀態對機架的影響與拉桿施加的預緊力相比可以忽略。右圖為工作狀態下壓機模型的網格劃分，與左圖相比，工作狀態下主工作缸內輸入32MPa的油壓，即在機架上橫梁受主工作缸底部施加的向上推力，在下橫梁上受到主工作缸柱塞施加給活動橫梁下模具坯料的壓力。壓機本體其他部分模型在工作狀態下對機架作用影響可以忽略。

圖1 簡化機架模型網格劃分

設置邊界條件與加載載荷

100MN三梁四柱模鍛壓機簡化模型在預緊狀態下設置的邊界條件與載荷如圖2所示。壓機下橫梁以立柱連接處下表面作為固定面，拉桿施加給機架的預緊力作用在上橫梁拉桿墊塊上。機架各剖面施加對稱約束，從而確保四分之一簡化模型與整體結構計算分析效果一致。

簡化模型在工作狀態下設置的邊界條件與載荷如圖3所示。工作狀態與預緊狀態相比，在工作缸內加載油壓如圖3c所示。

模型計算結果分析

⑴壓機預緊狀態機架模擬分析。

圖2 預緊狀態機架模型邊界條件與加載載荷

圖3 工作狀態機架模型邊界條件與加載載荷

圖4 機架預緊狀態水平方向與豎直方向位移云圖

①剛度分析。本體在預緊狀態下，立柱與上下橫梁等機架部分都會產生相應的彈性變形，因此，需要對該部分剛度進行計算分析。機架剛度的分析主要包括對立柱與上下橫梁在預緊狀態下的撓度以及機架壓縮量，即在水平方向（x軸）以及豎直方向（y軸）上的機架變形狀況。

圖4是機架本體在預緊狀態下上橫梁、下橫梁、立柱和墊塊在水平（x軸）方向與豎直（y軸）方向的位移云圖。圖5是各部分位移云圖總體分布情況。圖4表明，機架撓度變化即x方向位移最大值為0.0547mm，位移的變化主要集中在立柱兩端。機架壓縮量變化即y方向位移最大值為3.39mm，變化較大位置發生在立柱兩端，而立柱中部與上下橫梁壓縮變量較小。圖5顯示，位移變化最大的位置在立柱兩端以及與上下橫梁夾緊的地方，最大位移值為3.39mm，計算時設定下橫梁拉桿面為固定平面，所以位移變化顯示集中在上橫梁部分，實際情況下，位移變化會均布在上下兩端。

圖5 機架預緊狀態位移云圖

機架上橫梁與下橫梁的變形對于100MN三梁四柱模鍛壓機的總體裝配情況影響不大，壓機本體機架在預緊力壓縮量變化上也不會對安裝產生較大影響，但是撓度的變化關系到活動橫梁、主工作缸等一系列配件的安裝。據圖5分析，該本體機架的撓度變化很小，不會對壓機的安裝產生嚴重影響。

②強度分析。預緊狀態下，機架本體上橫梁與下橫梁處于壓應力狀態，合理的機架設計，應考慮到壓應力對機架產生的局部疲勞損壞，避免機架整體結構失效。

由圖6可知，壓機在預緊狀態下，上下橫梁與拉桿夾緊位置的應力集中比較明顯，立柱整體受較高壓應力作用，機架最大應力為117MPa，機架立柱部分材料許用屈服強度345MPa，而且在工作狀態下，該部分應力會大幅度降低，符合安全需求。

圖6 機架預緊狀態下的應力云圖

⑵壓機工作狀態機架模擬分析。

①剛度分析。本體在工作狀態下，除了受到拉桿對機架產生的預緊力外，上橫梁與下橫梁也會受到工作缸傳遞的載荷。因此，工作狀態下除了立柱與橫梁夾緊部分會產生彈性變形，上下橫梁也會受工作缸的作用產生變形情況。需要對上橫梁、下橫梁、工作缸以及活動橫梁進行剛度計算。剛度分析主要包括對各部分工作狀態下的撓度以及機架壓縮量，即在水平方向（x軸）以及豎直方向（y軸）上的機架變形狀況。

圖7是機架本體在工作狀態下水平（x軸）方向與豎直（y軸）方向的位移云圖。圖8是各部分位移云圖總體分布情況。圖7表明，機架撓度變化即x方向位移最大值為0.822mm，位移的變化主要集中在立柱中部。機架壓縮變量即y方向位移最大值為0.332mm，變化較大的位置集中在上橫梁連接工作缸缸底的位置。圖8顯示，位移變化最大位置出現在橫梁與立柱壓緊位置，最大值為1.52mm，相比橫梁，立柱位移變化較大，設計時應當格外注意。

上下橫梁的變形對壓機總體裝配情況影響不大，壓機本體在工作狀態下壓縮變量也不會對壓機運行產生較大影響，而工作狀態下，撓度的變化往往會影響壓機的加工精度。根據以上計算結果可知，撓度的變化主要發生在上橫梁與工作缸連接的部分，不會在加工過程中出現較大的偏心力，對加工精度影響較小。從圖中的計算結果可以看出，機架整體位移變化梯度較大的位置在上橫梁墊塊位置，所以，對墊塊的結構和厚度加以調整可以提高壓機的可靠性。

②強度分析。工作狀態下，機架本體處于拉應力狀態，考慮拉應力對機架產生的局部疲勞損壞，避免機架整體結構失效，在本體設計中應予以注意。

圖9計算結果表明，主工作缸對上橫梁與下橫梁施加的反作用力較大，局部位置出現應力集中現象，最大值達到80MPa。因為機架上下橫梁所用材料許用屈服強度為327MPa，相比之下，機架本體結構強度能夠保證壓機穩定可靠運行。

圖7 機架工作狀態水平方向與豎直方向位移云圖

圖8 機架工作狀態位移云圖

圖9 機架工作狀態下的應力云圖

結束語

通過對100MN三梁四柱模鍛壓機主機架結構分析計算可以得知，機架立柱部分易出現較明顯的撓度變化，墊塊剛度變化較大，應當對相應結構進行調整加厚。而壓機在預緊狀態和工作狀態對上橫梁與下橫梁等本體結構影響較小，可以保證壓機穩定可靠的運行。