郭寶峰 于琳琳 金 淼 董曉傳

燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004

0 引言

大型液壓機(jī)是一個(gè)國(guó)家大型裝備制造能力、經(jīng)濟(jì)與國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志，具有重要的戰(zhàn)略意義［1－2］。大型液壓機(jī)的橫梁，尤其是下橫梁，受鑄造、加工和安裝條件等的限制，通常采用分體結(jié)構(gòu)，由幾塊鑄造（焊接）梁體利用預(yù)緊螺栓組裝而成。下橫梁是液壓機(jī)的主要承載部件之一，必須保證其在承載狀態(tài)下的整體性，即各組合子梁間的接觸狀態(tài)良好，各接觸面無(wú)開(kāi)縫現(xiàn)象［3－5］。

保持組合下梁整體性的關(guān)鍵措施是通過(guò)拉桿進(jìn)行預(yù)緊。若預(yù)緊力不足，承載時(shí)，子梁結(jié)合面將會(huì)出現(xiàn)開(kāi)縫現(xiàn)象，在卸載時(shí)產(chǎn)生沖擊，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)早期破壞。若預(yù)緊力過(guò)大，則必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)于龐大，使制造成本上升［6］。因此，如何確定合理的預(yù)緊力，是組合結(jié)構(gòu)下梁設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，同時(shí)也是設(shè)計(jì)工作的難點(diǎn)。

目前有關(guān)液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)分析與優(yōu)化方面的研究已較為成熟［7］，在液壓機(jī)機(jī)架整體性［8］與預(yù)緊技術(shù)［9］等方面也有一定的研究報(bào)道［10］，但是針對(duì)組合下橫梁這種縱向承載及橫向預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，其整體性問(wèn)題的相關(guān)研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。

臨界預(yù)緊力是指在規(guī)定載荷下能保持結(jié)構(gòu)整體性所需的最小預(yù)緊力，是組合結(jié)構(gòu)預(yù)緊設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)。因此本文以數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，針對(duì)組合下橫梁的預(yù)緊問(wèn)題，深入探討了臨界預(yù)緊力的影響因素及變化規(guī)律，給出了臨界預(yù)緊力系數(shù)的估算方法，以期加深人們對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 組合下橫梁預(yù)緊計(jì)算模型

以某120MN大型自由鍛造液壓機(jī)（圖1）為例，其下橫梁（圖2）由兩個(gè)子梁組合而成，通過(guò)拉桿預(yù)緊為一個(gè)整體。本文以之為原型，建立了如圖3所示的箱體結(jié)構(gòu)組合梁預(yù)緊計(jì)算模型。組合梁總長(zhǎng)7200mm，梁寬3000mm，支座中心距為3600mm，設(shè)4根拉桿。定義跨高比為支座中心距與梁高之比，用α表示。計(jì)算中分別取梁高為4800mm、3600mm、2880mm、2400mm、2000mm、1800mm，對(duì)應(yīng)的跨高比分別為0.75、1、1.25、1.5、1.8、2。

圖1 120MN大型自由鍛造液壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 自由鍛造液壓機(jī)組合下橫梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 組合梁預(yù)緊計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

液壓機(jī)下橫梁在工作中存在兩種典型的受力狀態(tài)，一是以鐓粗工況為代表的中心載荷狀態(tài)（簡(jiǎn)稱中心工況，如圖4a所示），其受力狀態(tài)如圖5a所示，另一種是以擴(kuò)孔工況為代表的兩側(cè)承載狀態(tài)（簡(jiǎn)稱擴(kuò)孔工況，如圖4b所示），其受力狀態(tài)如圖5b所示。由兩種工況的受力狀態(tài)可知，在中心工況下組合梁結(jié)合面下端易出現(xiàn)開(kāi)縫現(xiàn)象，而在擴(kuò)孔工況下組合梁結(jié)合面上端易出現(xiàn)開(kāi)縫現(xiàn)象。本文針對(duì)兩種載荷工況分別建立了分析模型，如圖6所示。

圖4 兩種工況壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 兩種工況下橫梁邊界條件示意圖

圖6 組合下橫梁有限元模型及邊界條件

計(jì)算中采用彈性接觸理論，各子梁及預(yù)緊元件按彈性體離散，相互間按接觸理論判斷接觸與分離，計(jì)算模型依梁高不同，跨高比0.75、1、1.25、1.5、1.8、2 的 梁 分 別 劃 分 六 面 體 單元57 694、48 792、43 640、39 960、36 120、34 648個(gè)，節(jié)點(diǎn)43 020、36 540、32 760、30 060、26 820、25 740個(gè)。

在臨界預(yù)緊力下，組合下梁在承受規(guī)定載荷時(shí)，其易開(kāi)縫處的接觸壓應(yīng)力應(yīng)恰好為零。由于這一條件較為苛刻，在模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)中較難準(zhǔn)確測(cè)定，因此在本文的研究中，臨界預(yù)緊力的判別依據(jù)為：在給定載荷下，能夠保證組合梁易開(kāi)縫處的壓應(yīng)力為零，且最大開(kāi)縫寬度小于0.05mm時(shí)的預(yù)緊力定義為臨界預(yù)緊力。

2 臨界預(yù)緊力影響因素研究

2.1 工作載荷對(duì)臨界預(yù)緊力的影響

模擬時(shí)，中心工況下取載荷系數(shù)δL（即工作載荷與原壓機(jī)的公稱壓力之比）分別為1、0.75、0.5、0.25，擴(kuò)孔工況下取載荷系數(shù)分別為0.8、0.6、0.4、0.2。圖7所示為計(jì)算所得跨高比分別為1和1.5情況下，臨界預(yù)緊力與載荷的關(guān)系曲線。

圖7 臨界預(yù)緊力與工作載荷關(guān)系

由圖7中曲線可以看出，無(wú)論是中心工況，還是擴(kuò)孔工況，臨界預(yù)緊力系數(shù)β（臨界預(yù)緊力與載荷之比）均隨載荷的增大而略有增大，且兩者間存在較好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意到，不同跨高比下計(jì)算所得的曲線相差較大。而同一跨高比下，臨界預(yù)緊力系數(shù)基本保持不變，即臨界預(yù)緊力與工作載荷間的比例關(guān)系基本不變。在現(xiàn)有計(jì)算模型下，中心工況下跨高比為1時(shí)，臨界預(yù)緊力系數(shù)約為0.54，跨高比為1.5時(shí)，臨界預(yù)緊力系數(shù)約為0.92；擴(kuò)孔工況下跨高比為1時(shí)，臨界預(yù)緊力系數(shù)約為0.65，跨高比為1.5時(shí)，臨界預(yù)緊力系數(shù)約為0.88。

2.2 跨高比對(duì)臨界預(yù)緊力的影響

跨高比分別取為0.75、1、1.25、1.5、1.8、2。中心工況下載荷系數(shù)取為1、0.5，擴(kuò)孔工況下載荷系數(shù)取為0.8、0.4，其他條件不變，計(jì)算所得臨界預(yù)緊力系數(shù)隨跨高比的變化如圖8所示。

圖8 臨界預(yù)緊力與跨高比的關(guān)系

由圖8中曲線可以看出，跨高比對(duì)臨界預(yù)緊系數(shù)有著顯著的影響，隨著跨高比的增大，臨界預(yù)緊力系數(shù)大幅增高，兩者間近似成線性正比關(guān)系。同時(shí)可以注意到，從總體上看，無(wú)論是中心工況，或是擴(kuò)孔工況，不同載荷系數(shù)下計(jì)算所得的臨界預(yù)緊力系數(shù)與跨高比的關(guān)系曲線基本一致。由此可得臨界預(yù)緊力系數(shù)的估算公式如下：

中心工況下

擴(kuò)孔工況下

2.3 組合梁寬度對(duì)臨界預(yù)緊力的影響

模擬時(shí)取5組梁寬，相對(duì)寬度系數(shù)δB（梁的寬度與跨高比為1時(shí)梁的高度之比）分別為0.83、0.94、1.11、1.22、1.39；中心工況下載荷系數(shù)為1，擴(kuò)孔工況下載荷系數(shù)為0.8；跨高比分別取為1、1.5，計(jì)算所得臨界預(yù)緊力與梁寬的關(guān)系如圖9所示。

圖9 臨界預(yù)緊力與梁的相對(duì)寬度的關(guān)系

由圖9中曲線可知，隨著梁寬的增大，臨界預(yù)緊力呈小幅減小的趨勢(shì)。在相對(duì)寬度系數(shù)增大66%的情況下，中心工況下臨界預(yù)緊力平均減小9.6%，擴(kuò)孔工況下平均減小10.2%，可見(jiàn)梁寬對(duì)臨界預(yù)緊力的影響不顯著。

2.4 拉桿位置對(duì)臨界預(yù)緊力的影響

圖10為拉桿上下位置和前后位置示意圖，拉桿的上下位置由上下位置系數(shù)表示，為拉桿距上下中心線的距離與梁的高度之比，即h1／h；拉桿的前后位置由前后位置系數(shù)表示，為拉桿距前后中心線的距離與梁的寬度之比，即a／b。

圖10 拉桿的上下位置和前后位置示意圖

模擬時(shí)，上下和前后分別取5組拉桿位置，位置系數(shù)分別為0.25、0.306、0.361、0.417、0.431和0.083、0.15、0.25、0.317、0.417；中心工況下載荷系數(shù)取1，擴(kuò)孔工況下載荷系數(shù)取為0.8；跨高比取1和1.5，計(jì)算所得拉桿上下位置對(duì)臨界預(yù)緊力的影響如圖11所示，圖中曲線顯示，拉桿位置越靠近橫梁中心，則所需的臨界預(yù)緊力越大，反之越小。拉桿前后位置對(duì)臨界預(yù)緊力的影響如圖12所示，與上下位置的影響相似，拉桿前后位置越靠近橫梁中心，所需臨界預(yù)緊力越大。但是值得注意的是，盡管拉桿的位置對(duì)臨界預(yù)緊力有影響，但是影響不大，當(dāng)拉桿上下位置系數(shù)增大72%的情況下，中心工況臨界預(yù)緊力平均減小僅9%，而擴(kuò)孔工況平均減小僅7%；拉桿前后位置系數(shù)增大4.02倍的情況下，中心工況臨界預(yù)緊力平均增大4.7%，擴(kuò)孔工況平均增大6.3%。

圖11 臨界預(yù)緊力與拉桿上下位置的關(guān)系

圖12 臨界預(yù)緊力與拉桿前后位置的關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本文以計(jì)算模型為原型，設(shè)計(jì)了一套1∶7.2（實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值模擬模型的尺寸比）的模擬實(shí)驗(yàn)裝置（圖13）。該裝置由2個(gè)子梁和4根拉桿構(gòu)成一個(gè)組合結(jié)構(gòu)梁。為測(cè)試不同跨高比下的預(yù)緊參數(shù)，共設(shè)計(jì)了5組不同高度的子梁，跨高比分別為1、1.25、1.5、1.75、2。

圖13 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

拉桿及組合梁貼片如圖14所示。拉桿采用液壓預(yù)緊，通過(guò)粘貼于拉桿中部的應(yīng)變片測(cè)量預(yù)緊力（圖14a）。利用實(shí)驗(yàn)室的YA－315單動(dòng)液壓機(jī)進(jìn)行加載，并通過(guò)安裝于液壓機(jī)動(dòng)梁與組合梁間的壓力傳感器實(shí)測(cè)載荷大小。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示。

分別在兩子梁上下結(jié)合面的中部位置粘貼應(yīng)變片，如圖14b和圖14c所示，以檢測(cè)結(jié)合面處的應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，承載后若結(jié)合面處的應(yīng)變片測(cè)得值降為0，且此時(shí)該結(jié)合面處采用0.05mm的塞尺不能塞入，則認(rèn)為該狀態(tài)為臨界狀態(tài)。

分別對(duì)兩個(gè)子梁施加235.2kN、254.8kN、274.4kN、294kN、313.6kN 五組預(yù)緊力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得給定預(yù)緊力下結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的工作載荷，由此即可確定出工作載荷與臨界預(yù)緊力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖16所示為跨高比為1.5時(shí)，兩種載荷工況下臨界預(yù)緊力與工作載荷的關(guān)系；圖17所示為預(yù)緊力為313.6kN時(shí)，兩種載荷工況下臨界預(yù)緊力與跨高比的關(guān)系曲線。

圖14 拉桿及組合梁貼片示意圖

圖15 加載現(xiàn)場(chǎng)示意圖

圖16 實(shí)驗(yàn)所得臨界預(yù)緊力與工作載荷的關(guān)系

圖17 實(shí)驗(yàn)所得臨界預(yù)緊力與跨高比的關(guān)系

由圖16可知，實(shí)驗(yàn)得到兩種工況下臨界預(yù)緊力與工作載荷存在較好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，直線基本保持為水平。中心工況下臨界預(yù)緊力系數(shù)約為0.8；擴(kuò)孔工況下臨界預(yù)緊力系數(shù)約為0.82，與數(shù)值模擬臨界預(yù)緊力系數(shù)的誤差分別為13%、6.8%，結(jié)果基本一致。

由圖17可知，實(shí)驗(yàn)得到兩種工況下臨界預(yù)緊力與跨高比成線性正比關(guān)系，兩者間的關(guān)系可以通過(guò)下式表達(dá)：

中心工況

擴(kuò)孔工況

與數(shù)值模擬結(jié)果相比，兩直線的斜率誤差分別為10.8%、8.9%，兩者結(jié)果基本一致，因此可按式（1）和式（2）進(jìn)行臨界預(yù)緊力的估算。

4 結(jié)論

（1）工作載荷及跨高比是影響組合預(yù)緊下橫梁臨界預(yù)緊力大小的關(guān)鍵因素，梁寬及拉桿位置對(duì)臨界預(yù)緊力的影響相對(duì)較小。

（2）臨界預(yù)緊力系數(shù)隨跨高比的增大，呈線性增大的趨勢(shì)，當(dāng)跨高比一定時(shí)，臨界預(yù)緊力系數(shù)基本為定值。

（3）臨界預(yù)緊力系數(shù)中心工況下可取為跨高比的0.72倍，擴(kuò)孔工況下可取為跨高比的0.61倍。

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