小型快速鍛造液壓機機架的模態(tài)分析

牟順順,成小樂,牛 勇,趙冠淇

(1.西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710048;2.太原科技大學 機械工程學院,山西 太原 030024;3.遼寧忠旺集團有限公司,遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

目前,我國制造的大噸位液壓機以全預緊力框架結構為主,結構形式多樣,在強度和精度方面都得到較大提升,但快速性問題一直未得到較好的解決。小型液壓機生產效率高、鍛件質量好、操作機自動化程度高、節(jié)能效果好[1-2]。在自由鍛造液壓機中,機身穩(wěn)定性的設計尤為重要,關系到液壓機能否正常穩(wěn)定地工作。隨著我國對快鍛液壓機需求的增多,活塞式、缸動式、框架預緊式液壓機顯示出強大優(yōu)勢[3-5]。

鍛造液壓機穩(wěn)定性分析常采用有限元分析方法,分析結果可顯示液壓機組合預緊機架危險點及高應力區(qū)[6-7]。邵飛利用該方法對10 MN小型鍛造液壓機的機身進行優(yōu)化,為企業(yè)節(jié)省了ZG25Mn材料[8]。同時，該方法還可用于模擬聯(lián)動式液壓系統(tǒng)在鍛造力下的變形,所設計的液壓機運行平穩(wěn)，速度可達到要求[9]。本文參考對大直徑不銹鋼棒料剝皮機的刀盤系統(tǒng)模態(tài)分析及優(yōu)化[10],對2種液壓機進行結構選型。利用模態(tài)分析方法不但可確定快速鍛造液壓機零部件共振區(qū)域,而且可確定偏心時預應力對工作精度的影響,保證液壓機機架的穩(wěn)定與可靠[11-13]。RAZ曾對四柱下拉式、兩柱下拉式和上傳動式進行模態(tài)分析,求得其應力應變云圖和相關形式的固有頻率,確定出四柱上傳動式液壓機是最佳選擇[14]。但是，國內外至今仍缺少有關小型快速鍛造液壓機本體結構的選型及其理論分析。

本文為滿足50 t小型快速鍛造液壓機的需求,利用有限元分析方法對缸動式、預應力框架式鍛造液壓機的本體結構進行建模與分析。通過計算比較,得出適用于50 t鍛造力下的最優(yōu)機架形式。

1 有限元模型的建立

1.1 鍛造液壓機結構

缸動式液壓機在鍛造時,結構穩(wěn)定性好,維修方便,活動件質量較小,效率也有較大的提升。圖1為2種機身的結構示意圖。其中圖1(a)為缸動式結構示意圖。此種結構上橫梁1、中間橫梁4、下橫梁6、上下立柱均固定；預緊螺母固定后形成2個受力機架。在鍛造時，工作缸7在中間橫梁4的2個導向套中作上、下往復運動,上砧直接固定在工作缸7的缸底；工作行程時,高壓液體通過柱塞9中間的通孔；進人工作缸,推動工作缸與上砧向下運動；回程時,固定在中間橫梁4上的回程缸3進入高壓液體,推動回程柱塞及托板8，同時帶動工作缸向上回程。托板8以上機架的上立柱2作為運動導向,可防止工作缸水平轉動[15]。

(a) 缸動式機架示意圖

(b) 框架式機架示意圖圖 1 2種結構的機身示意圖Fig.1 The frame diagram of two kinds of hydraulic press structures

框架預緊力液壓機剛性好，加工精度高，耐疲勞強度較好。框架式機架如圖1(b)所示。上橫梁2、下橫梁6均固定不動,用預應力拉桿5將上、下橫梁連在一起。由大型螺母分別緊固,形成剛性受力機架。工作缸1的缸體固定在上橫梁,而中間橫梁則可以運動,在工作缸和回程缸的作用下上下往復運動。回程缸和上砧通過夾緊裝置3進行夾緊,與回程缸一起往復運動。為了更好地增加拉桿的剛性和抵抗受力變形,常采用柱套-拉桿的形式。

鍛造液壓機的立柱和拉桿不僅要承受高溫環(huán)境,較大的鍛造力,還要抵抗機架的偏載。H13(4Cr5MoSiV1)模具鋼有較高的抗拉強度和屈服強度,故本文選擇的2種液壓機，其立柱和拉桿均為H13(4Cr5MoSiV1)模具鋼材料，而其他零件采用45號結構鋼。2種材料性能指標如表1所示。

表 1 液壓機所用材料屬性Tab.1 The material properties of hydraulic press

本文主要分析2種液壓機機架的穩(wěn)定性,故需要控制模型的材料、液壓缸的工作壓力、鍛造的環(huán)境溫度、尺寸和剛度等鍛造環(huán)境對模態(tài)分析的影響，從而更加準確地判別2種機架的優(yōu)缺點。液壓機鍛造環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表 2 液壓機鍛造環(huán)境參數(shù)Tab.2 The forging environmental parameters of hydraulic press

1.2 2種結構的網(wǎng)格劃分對比

為了使網(wǎng)格劃分更加準確,便于分析，需簡化設計機架,去除螺絲、螺母、液壓缸等復雜零件。利用Pro/E進行三維建模,其中缸動式簡化機架三維模型結構包括上橫梁、上立柱、中間橫梁、下立柱、下橫梁部分。缸動式簡化后的模型總長為957 mm,寬為500 mm,高為1 956.4 mm。框架式簡化機架三維模型包括上梁預應力拉桿、柱套、下橫梁3部分。框架式簡化后的模型總長為1 414 mm,寬為500 mm,高為2 706 mm。

在網(wǎng)格劃分之前,為保證2個零件配合時節(jié)點重合、分析準確,需要在ANSYS Workbench的Design Model模塊中將零件進行布爾合操作以合并零件。首先采用四面體網(wǎng)格劃分,對2種結構進行全局網(wǎng)格劃分。曲率法相角度均設置為18°,最大單元尺寸為5 mm,最小單元尺寸為0.55 mm,過度比均為0.272。然后對局部進行網(wǎng)格劃分,使分析結果更加準確。具體細化部位如圖2所示。圖2中，局部細化1為上橫梁柱塞處,局部細化2為立柱和拉桿處,局部細化3為下砧處。

(a) 缸動式網(wǎng)格劃分 (b) 框架式網(wǎng)格劃分圖 2 2種結構的網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 The grid division diagram of the two structures

ANSYS Workbench軟件計算結果顯示：缸動式結構網(wǎng)格劃分的最小邊緣尺寸為5.461 70 mm,節(jié)點數(shù)為972 824個,找到元素713 137,元素質量的平均值為0.780 16，如圖2(a)所示;框架式結構網(wǎng)格劃分的最小邊緣尺寸為5.5 mm,節(jié)點數(shù)為321 520 個,找到相關元素205 175個,元素質量的平均值為0.789 01，如圖2(b)所示。經(jīng)過分析2種結構的網(wǎng)格參數(shù),確認網(wǎng)格劃分質量良好,可進行靜力學分析和模態(tài)分析。

1.3 2種結構受力工況對比

缸動式組合機架主要由上機架和下機架組成,具體受力如圖1(a)所示。在鍛造力P的作用下,中間橫梁4會受到偏心載荷T1和T2的作用,使得液壓機受到小位移偏心距e的影響。

框架式組合機架主要是拉桿5和柱套4承受鍛造力P。在發(fā)生偏心鍛造力時,所受的偏載力T主要為拉桿5均勻承受,造成小位移的偏心距e。同時，液壓機受到螺絲預緊,具體受力如圖1(b)所示。

在模擬軟件中，2種結構受4.9×105N(50 t)鍛造力、偏心載荷(T1、T2及T)和螺絲預緊力。鍛造力添加的位置為上橫梁中心處(局部細化1)和下砧處(局部細化3),如圖2所示。

2 結果與分析

2.1 靜力學對比分析

為計算2種結構的強度、剛度是否滿足鍛造要求,分析2種結構的應力應變分布,對其進行有限元靜力學分析。靜力學分析理論公式為[16]

K×δ=F

(1)

式中:K為鍛造液壓機的剛度矩陣;δ為鍛造液壓機結構的節(jié)點位移陣列;F為結構的載荷陣列。根據(jù)實際鍛造需求,分別添加上述鍛造工況及約束條件進行求解計算。

選取靜力學中的總變形云圖和應力分布云圖對2種結構進行鍛造震動分析。應用ANSYS Workbench軟件分析,2種結構的靜力學總變形和應力分布云圖如圖3、4所示。

(a) 缸動式總變形量分布云圖

(b) 框架式總變形量分布云圖圖 3 液壓機總變形量云圖Fig.3 The cloud diagram of total deformation of hydraulic press

圖3(a)和(b)顯示，2種結構最大變形量均較小。因鍛造液壓機在工作時液壓缸沖擊力會對上梁造成影響,故最大變形量均發(fā)生在液壓缸與上橫梁接觸處;其次，由于立柱及拉桿受偏心載荷的影響,此處也有較大的變形。2種結構最大變形量較小，并且均小于0.204 mm,因此結構的剛性良好。圖4(a)和(b)顯示:缸動式結構最大靜應力集中在下砧和立柱，框架預緊式鍛造液壓機最大靜應力集中在下砧和拉桿柱套處。其最大靜應力遠遠小于結構鋼的屈服強度235 GPa,故2種結構強度、剛度滿足機械設計理論要求。

(a) 缸動式應力分布云圖

(b) 框架式應力分布云圖圖 4 液壓機應力分布云圖Fig.4 The stress distribution cloud diagram of hydraulic press

在結構方面,缸動式液壓機有2層受力機架,偏載時有應力抵消,總應力變小;在節(jié)約材料方面,缸動式結構質量輕,便于制造,上下機架只需螺栓預緊。缸動式機構鍛造時液壓缸缸體遠離高溫鍛造件,使得應力不容易集中,延長使用壽命。根據(jù)云圖數(shù)據(jù)(圖3、4)可以計算得出,缸動式結構的變形量是框架式結構變形量的11.7%,總的應力也只有框架式結構的17.6%。綜上所述,缸動式結構剛度、強度等較框架式結構優(yōu)越。

2.2 模態(tài)對比分析

模態(tài)分析理論實質是將模型中的物理坐標轉化為模態(tài)坐標,根據(jù)有限元矩陣方程求解，可以獲得模型結構的固有頻率和振型云圖。結構的振動方程為[17]

(2)

靜力學分析完后,在ANSYS Workbench軟件中創(chuàng)建模態(tài)分析模塊。在前6階振型中,因前3階振型對液壓機工作時的影響比較大,所以本文只列出2種液壓機機架前3階振型的云圖和前6階云圖數(shù)據(jù)。缸動式結構前3階振型云圖如圖5所示,其固有頻率和偏載位移如表4所示。

(a) 1階振型云圖 (b) 2階振型云圖 (c) 3階振型云圖圖 5 缸動式結構各階振型分布云圖Fig.5 The distribution cloud diagram of each mode of cylinder moving type

表 4 缸動式鍛造液壓機模態(tài)分析結果Tab.4 The modal analysis results of cylinder moving forging hydraulic machine

圖5(a)為缸動式結構1階振型,主要是液壓機發(fā)生前后偏載時的受力振型;圖5(b)為缸動式結構2階振型,主要是液壓機發(fā)生左右偏載時的受力振型;圖5(c)為缸動式結構3階振型,主要是液壓機發(fā)生扭轉時的受力振型。缸動式結構的4、5、6階振型,分別是液壓機中間橫梁發(fā)生偏載時的受力振型，液壓機上機架發(fā)生左側偏載時的受力振型，液壓機發(fā)生上下側向偏載時的受力振型。缸動式結構的前6階振型的固有頻率隨階數(shù)的增加而增大。因前3階影響較大,故前3階振型增長率比后3階增長率快,其固有頻率的增長量差為2.4～24.7 Hz。因液壓機發(fā)生扭轉,偏移量變化較大,故偏移量呈“Z”型變化趨勢。

框架式結構前3階結果云圖如圖6所示,其固有頻率和偏載位移如表5所示。

(a) 1階振型云圖 (b) 2階振型云圖 (c) 3階振型云圖圖 6 框架式結構各階振型分布云圖Fig.6 The distribution cloud diagram of vibration mode of frame structure

表 5 框架式鍛造液壓機模態(tài)分析結果Tab.5 The modal analysis results of frame forging hydraulic machine

圖6(a)為1階振型,主要是液壓機發(fā)生左右偏載時的受力振型;圖6(b)為2階振型,主要是液壓機發(fā)生前后偏載時的受力振型;圖6(c)為3階振型,主要是液壓機發(fā)生扭轉時的受力振型。框架式結構的4、5、6階振型,分別是液壓機拉桿發(fā)生前后偏載時的受力振型，液壓機、拉桿發(fā)生左右偏載時的受力振型、液壓機拉桿發(fā)生單側向偏載時的受力振型。框架式鍛造液壓機的固有頻率因拉桿受鍛造載荷及偏載影響,第4階固有頻率和偏移量發(fā)生急速增長(見表5),前6階固有頻率增長量為0.28～74.032 Hz。

快速鍛造液壓機的鍛造次數(shù)為120～180 次/分鐘。每工作一周期,受到2次液壓缸對機架沖程的激勵作用,故激勵頻率為4～6 Hz。缸動式鍛造液壓機最小固有頻率是激勵頻率的6.6倍,框架式鍛造液壓機最小固有頻率是激勵頻率的2.12倍,故2種液壓機都不會發(fā)生共振現(xiàn)象。兩者比較來看,缸動式有關數(shù)據(jù)較框架式更穩(wěn)定,且更加遠離發(fā)生共振的激勵頻率,所以選擇缸動式結構機架穩(wěn)定性更高。

3 結 語

2種液壓機結構的云圖分析表明,靜應力主要集中在上橫梁中心、拉桿及立柱上,應力變化向四周線性減小。缸動式結構上下機架可抵消部分偏載力及扭轉力。在前6階模態(tài)分析中,缸動式結構固有頻率遠離共振頻率,且各階固有頻率相對更為穩(wěn)定。故在50 t小型液壓機選型上,缸動式更優(yōu)。