魏征宇

(太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

1 立搗臥擠式炭素?cái)D壓機(jī)

炭素?cái)D壓機(jī)是將經(jīng)過混捏、涼料的炭素糊料經(jīng)過加料、搗固(壓實(shí))、預(yù)壓、擠壓、冷卻成具有一定形狀、尺寸、密度和機(jī)械強(qiáng)度的炭素制品的成型設(shè)備［1］。

12.5 MN 立搗臥擠式炭素?cái)D壓機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，是由后梁1、上梁2、下梁3 和機(jī)架4及立柱5 構(gòu)成的主機(jī)框架;裝在后梁中的擠壓主缸6、擠壓側(cè)缸及擠壓梁7、擠壓桿8、擠壓壓頭9;裝在上梁中的預(yù)壓主缸10、回程缸、預(yù)壓壓頭11;裝在下梁中的擋板缸12、回程缸、擋板13;可旋轉(zhuǎn)90°的旋轉(zhuǎn)料室14、料室旋轉(zhuǎn)缸15 和定位裝置;型嘴16 及卡環(huán)等組成。

立搗臥擠式炭素?cái)D壓機(jī)料室和型嘴旋轉(zhuǎn)成豎直方向，下面由擋板封住型嘴口，這時(shí)開始加料，一般分為2～3 min 加次料，每次加料后由預(yù)壓主缸帶動(dòng)預(yù)壓壓頭［2］對(duì)糊料進(jìn)行搗固，搗固后進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓壓力為設(shè)定值，時(shí)間為1～3 min，搗固和預(yù)壓過程中抽真空［3］。預(yù)壓完成后，提升缸將預(yù)壓主缸柱塞和預(yù)壓壓頭提起，料室旋轉(zhuǎn)為水平方向，擠壓主缸和側(cè)缸加壓進(jìn)行擠壓，炭素制品從型嘴口被擠出，由隨動(dòng)剪將制品剪斷，再由料槽或輥道將制品輸送至水槽冷卻［4－5］。

圖1 12.5 MN 立搗臥擠式炭素?cái)D壓機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 12.5MN carbon extrusion press main body structure

2 機(jī)架受力分析

立搗臥擠式炭素?cái)D壓機(jī)機(jī)架采用兩片機(jī)架，機(jī)架為鑄鋼件，零件圖如圖2 所示。

圖2 機(jī)架零件圖Fig.2 Part drawing of frame

機(jī)架受力分析分?jǐn)D壓和預(yù)壓兩種工作情況，如圖3 所示。

圖3 機(jī)架受力圖Fig.3 Force diagram of frame

3 基于I-DEAS 的機(jī)架有限元分析

I-DEAS 軟件是當(dāng)今國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的幾種大型CAD/CAM/CAE 一體化軟件之一，具有較強(qiáng)的有限元分析功能［6－7］。本文應(yīng)用IDEAS.NX.V11 有限元分析軟件對(duì)機(jī)架在擠壓和預(yù)壓滿負(fù)荷工作條件下的應(yīng)力及變形狀況進(jìn)行分析，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了必要的技術(shù)支持。

3.1 創(chuàng)建機(jī)架零件有限元模型

在“Master Modeler 實(shí)體建?！比蝿?wù)中建立機(jī)架的零件模型:建立一個(gè)用于繪制二維線框的工作平面，繪制并約束線框，使用三維實(shí)體造型操作命令，創(chuàng)建新零件或新特征。創(chuàng)建好的機(jī)架零件有限元模型如圖4 所示。

圖4 機(jī)架零件有限元模型Fig.4 The finite element model of frame

3.2 施加邊界條件(載荷和約束)

根據(jù)機(jī)架的結(jié)構(gòu)及工作時(shí)的受力狀態(tài)，在“Boundary Conditions 邊界條件”任務(wù)中在機(jī)架受力面上添加載荷，并在其底面上分別施加“Z 方向”約束。施加邊界條件后的機(jī)架零件有限元模型如圖5、6 所示。

圖5 施加邊界條件(擠壓)后的機(jī)架零件有限元模型Fig.5 Finite element model of frame after exerting boundary conditions (extrusion)

圖6 施加邊界條件(預(yù)壓)后的機(jī)架零件有限元模型Fig.6 Finite element model of frame after exerting boundary conditions (prepressing)

3.3 劃分網(wǎng)格

在“Meshing 劃分網(wǎng)格”任務(wù)中采用Solid 線性四面體單元對(duì)機(jī)架零件模型進(jìn)行自由式網(wǎng)格劃分，單元體長度100，每個(gè)單元有4 個(gè)節(jié)點(diǎn)，4個(gè)面，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3 個(gè)平移自由度。機(jī)架零件模型共生成29220 個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分出9173 個(gè)單元，劃分出的有限元模型如圖7 所示。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

在“Model Solution 模型計(jì)算”任務(wù)中對(duì)機(jī)架模型進(jìn)行分析計(jì)算。在“Post Processing 后期處理”任務(wù)中可以得到機(jī)架有限元模型在受載之后，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)所承受的最大、最小主應(yīng)力，等效應(yīng)力、支反力、應(yīng)變能以及位移等。機(jī)架模型節(jié)點(diǎn)受力分布以及位移變形云圖見圖8、9 所示。

圖7 機(jī)架零件有限元模型網(wǎng)格劃分圖Fig.7 Finite element model of frame after meshing

圖8 機(jī)架零件有限元模型應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D(擠壓)Fig.8 Stress and strain figure of frame (extrusion)

圖9 機(jī)架零件有限元模型應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D(預(yù)壓)Fig.9 Stress and strain figure of frame (prepressing)

計(jì)算結(jié)果見表1。通過對(duì)表1 中有限元計(jì)算結(jié)果的分析可以看出，機(jī)架最惡劣的受力狀況出現(xiàn)在擠壓機(jī)滿負(fù)荷預(yù)壓時(shí)。

表1 機(jī)架有限元計(jì)算結(jié)果Tab.1 Result of finite element calculation

機(jī)架材質(zhì)為ZG35CrMo，采用正火+回火處理，其強(qiáng)度極限和屈服極限分別為σb=590 MPa和σs=395 MPa［8］，此時(shí)的安全系數(shù)分別為nb=3.8 和ns=2.6，擠壓機(jī)機(jī)架的安全系數(shù)ns=2.5～5［9］，顯然本機(jī)架的安全系數(shù)滿足要求。

4 機(jī)架應(yīng)力的實(shí)測和結(jié)果比較

4.1 電阻應(yīng)變法測定應(yīng)力

電測法是借助于應(yīng)變儀，將應(yīng)變轉(zhuǎn)為電量的測量方法。電測法中應(yīng)用最廣泛的是電阻應(yīng)變測試法，基本原理是用電阻應(yīng)變片測定構(gòu)件表面的線應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變－應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。這種方法是將電阻應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件表面，當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，電阻應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，然后通過電阻應(yīng)變儀將此電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓(或電流)的變化，再換算成應(yīng)變值或者輸出與此應(yīng)變成正比的電壓(或電流)的信號(hào)，由記錄儀進(jìn)行記錄，就可得到所測定的應(yīng)變或應(yīng)力。

4.2 機(jī)架應(yīng)力測量方案

只檢測預(yù)壓時(shí)機(jī)架變形應(yīng)力應(yīng)變的情況。

在每個(gè)機(jī)架T 型頭圓弧過度處貼2 枚工作應(yīng)變計(jì)，如圖10 所示。工作應(yīng)變計(jì)與溫度補(bǔ)償片組成半橋測量電路，采用YJ26 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀［10］。通過材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)模型機(jī)架加載(設(shè)備預(yù)壓工作狀態(tài))，按2.5 MN 增量加載至12.5 MN(對(duì)應(yīng)于單個(gè)機(jī)架實(shí)際承載6.25 MN)，并逐點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變測量。

圖10 機(jī)架測試貼片圖Fig.10 The location of test strips on the frame

4.3 結(jié)果比較

表2為機(jī)架應(yīng)力實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較。從表中可以看出，實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較接近。

表2 機(jī)架應(yīng)力實(shí)測結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果比較Tab.2 Comparison of result of finite element calculation with the result of measure

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)機(jī)架模型在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的應(yīng)力和應(yīng)變情況分析，可以認(rèn)為該機(jī)架零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，有限元分析為機(jī)架零件結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的理論參考。

(2)通過有限元分析可以看到，機(jī)架應(yīng)力最大值發(fā)生在機(jī)架T 型頭圓弧過度處，因此在零件加工制造時(shí)應(yīng)特別注意采取相應(yīng)制造工藝來保證零件質(zhì)量:鑄件應(yīng)力值最高的過渡圓弧部位進(jìn)行磁粉探傷和超聲波探傷;提高過渡圓弧部位加工精度至Ra3.2。

［1］蔣文忠.炭素機(jī)械設(shè)備［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010.

［2］魏征宇，薛峰，惠友誼，等.一種新型炭素?cái)D壓機(jī)恒溫壓頭簡介［J］.炭素技術(shù)，2011(2).

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［5］李圣華.石墨電極生產(chǎn)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1997.

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