30t操作機吊掛部分前轉架斷裂的解決辦法

李兆凱，郭 璞，韋朝強，杜真一，魏太春

（西部超導材料科技股份有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

鍛造操作機是鍛壓機組中最主要的輔機，是鍛造車間實現鍛造機械化與自動化的重要設備。其組成部分主要有機架、鉗桿、吊掛系統、檢測系統、液壓系統、電控系統，它主要用于夾持鍛件來配合壓機完成鍛造作業。其工作特點是沖擊載荷大、慣性大、自由度多、工況惡劣。

吊掛系統如圖1 所示，鉗桿通過吊掛系統中的前后轉架、吊桿、升降油缸及傾斜油缸固定在機架上，各個油缸單獨或組合運動使鉗桿實現平行升降或上下傾斜動作。吊掛裝置的升降油缸與機架采用固定球鉸聯接，使鉗桿的各種運動不產生干涉。緩沖油缸和整個吊掛系統組成一個具有很大緩沖性能的“液壓彈簧”，使鉗桿能夠在操作機行走過程中具有很好的“回彈”功能。

1 問題的提出

圖1 吊掛系統

公司30 t 全液壓直移式鍛造操作機是45 MN壓機的重要組成部分，由于公司生產任務繁重，設備開機運行時間長，而該設備的平升降動作在壓機從事開坯、延伸、鐓粗、擴孔、精整等鍛造工藝時使用最為頻繁且最為重要。在生產過程中出現設備吊掛部分前轉架板開裂，升降油缸耳座與轉架板連接處斷裂等問題。給設備和人員安全帶來極大隱患，嚴重影響生產效率。

2 問題可能原因

經檢查，前轉架板斷裂處裂紋在前轉架板與升降油缸連接耳座的拐角處。裂紋方向與升降油缸平行，裂紋周圍平整無雜物撞擊痕跡。經分析前轉架板斷裂原因如下。

（1）油缸推力過大超過設定壓力值。

（2）轉架應力過大，超過材料屈服應力。

（3）壓機下壓過程中操作機動作卡滯，轉架瞬時應力超高。

以上故障均會導致前轉架板所受應力大于材料屈服應力而導致轉架板開裂。首先排除油缸推力過大的問題，檢查泵頭壓力，經測量泵頭壓力在正常范圍之內；檢查并清洗液壓系統溢流閥，溢流閥的工作也正常。從而排除液壓系統壓力過高問題。

2.1 用ANSYS 軟件分析轉架在工作時的受力情況

（1）創建和輸入幾何模型。在SolidWorks 軟件中創建前轉架實體模型，由于前轉架結構形狀復雜，做了一些簡化。忽略前轉架中的小圓角，以及加工時的退刀槽，砂輪越程槽。如果在前轉架建模時考慮這些因素，則會使有限元的網格非常密，大大增加了節點方程的個數，繼而增加了數據量和計算機求解時間，并造成單元格形狀的不理想，求解累積誤差增大，反而將低了求解精度。同時也忽略各種螺栓孔，避免劃分網格時出現畸形網格。

（2）單元類型的選擇。選擇單元要考慮的因素：①單元能夠很好的反應所要計算的物體；②單元必須要有較高的計算精度；③單元必須盡可能的節約計算時間。

所以本次分析采用SOLID45 單元對前轉架進行網格劃分，此單元為8 節點的六面體單元，每個節點有3 個自由度。

（3）定義材料屬性。選擇材料Q345-B，彈性模量為2.12×105N·mm2，泊松比為0.3。

（4）網格的劃分。在劃分網格時對前轉架板R 角過渡處進行網格細化，劃分后的有限元網格如圖2 所示。

圖2 轉架網格劃分

（5）施加載荷并求解。對前轉架板與機架連接軸部分施加固定約束，在升降缸與前轉架板連接銷孔處單側施加載荷進行求解，結果如圖3 所示。

（6）結果分析。由轉架板的應力云圖可以看出該零件受力不太均勻，在升降缸與轉架板連接的R 角位置處出現了應力集中，而其應力最大值小于Q345-B 材料的屈服極限，所以滿足使用要求。從分析結果可以看出，雖然轉板架斷裂處與ANSYS 分析結果的應力集中處重合，但是在正常使用情況下應力在材料允許范圍之內不會出現轉架板斷裂的情況。

2.2 外力因素

圖3 轉架應力云圖

操作機是配合壓機進行工作的輔助設備，與此操作機相配套的壓機壓力達到4500 t，遠遠大于操作機的力。當鍛造的過程之中如果操作機動作不合適致使壓機的力通過工件傳導到操作機上就會使操作機的零件損壞。經過現場觀察及詢問設備操作人員，發現有時候操作機升降動作過程之中機器會出現異響，響聲來自升降缸與轉架板連接處。現場拆出與升降油缸關節軸承相連接的軸發現由于鍛造設備受工件熱輻射較大，潤滑油脂在高溫下烘烤變干堵塞油孔，導致此處經常處于無潤滑狀態，壓機反復升降動作的時候關節軸承與軸產生摩擦，軸的圓柱面已經被磨損成臺階狀。由此可以判斷，壓機鍛造過程中，由于此處潤滑不暢導致關節軸承卡死，操作機不能隨著壓機的動作做相應的浮動動作，從而使得壓機的鍛造力傳導到轉架板上導致轉架板開裂，這也是以前升降油缸耳座斷裂的原因所在。

3 問題處理

為了解決關節軸承潤滑問題，對與關節軸承相連接的銷軸的潤滑油道做了改進。以前的銷軸潤滑油道為2 個互相垂直的油孔共同組成一個直角潤滑油道。潤滑油在油道里面流動阻力較大，油脂變干很容易堵住油道，一旦油道堵塞整個銷軸就會很快磨損報廢，進而導致轉架板斷裂。銷軸油道如圖4 所示。

經過重新設計改進，把銷軸油道改為兩個，并且油道與銷軸圓柱面成15°夾角，在銷軸圓柱面上開環形油槽溝通2 個油道。這樣使潤滑油脂在銷軸里面形成一個通路，不容易堵塞。一旦有一個油道堵塞另一個油道還可以打油，利用油壓把干油脂擠出油道。重新設計的銷軸如圖5 所示。

圖4 原銷軸油道

圖5 改進后的銷軸油道

4 結論

改造之后新的銷軸裝上使用了2 月發現潤滑效果良好，沒有再出現前轉架板開裂、關節軸承卡死等現象。