解文科

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

0 引言

鍛造操作機(jī)是鍛件精確制造的基本裝備之一，與自由鍛造壓機(jī)配合進(jìn)行鍛造作業(yè)可極大提高鍛造生產(chǎn)效率和鍛件制造質(zhì)量，降低制造成本。近年來，我國核電、火電、化工、造船、航空航天等產(chǎn)業(yè)對(duì)極端條件下的節(jié)能、節(jié)材制造技術(shù)以及巨型重載裝備提出了迫切需求[1]，也對(duì)鍛造操作機(jī)的發(fā)展提出了新的要求。在現(xiàn)代化的鍛造車間，尤其在大型自由鍛造液壓機(jī)上配備鍛造操作機(jī)已是必不可少，而且鍛造壓機(jī)機(jī)組設(shè)備中配備雙鍛造操作機(jī)已逐步成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。國內(nèi)外很多廠家通過配備鍛造操作機(jī)，大幅提升了鍛造效率，如日本神戶制鋼廠采用1600kN/4000kN·m鍛造操作機(jī)后，比采用兩臺(tái)鍛造天車效率提高了1.6～2倍；上海重型機(jī)器廠有限公司的統(tǒng)計(jì)也表明，使用鍛造操作機(jī)可顯著提高鍛造生產(chǎn)效率[2-3]。

鍛造操作機(jī)是一種在極端載荷條件下作業(yè)的重載機(jī)械，工作過程中其速度性能、承載能力以及剛度特性隨機(jī)構(gòu)位形的變化而變化[4-8]。實(shí)際使用中操作機(jī)的鉗臂有不少斷裂的例子[9]，因此鉗臂的強(qiáng)度計(jì)算顯得尤為重要。

1 鍛造操作機(jī)夾鉗裝置

目前使用較多的鍛造操作機(jī)的本體結(jié)構(gòu)可以分為夾鉗、臺(tái)架和大車三部分。為了滿足鍛造工藝要求，鍛造操作機(jī)一般具有以下五個(gè)動(dòng)作：鉗口夾緊和松開、鉗桿旋轉(zhuǎn)、夾鉗平行升降及傾斜、臺(tái)架回轉(zhuǎn)或夾鉗擺移、大車行走[10]。其中除臺(tái)架回轉(zhuǎn)和大車行走外，其他動(dòng)作都與夾鉗裝置有關(guān)。

夾鉗裝置主要由以下幾部分組成：鉗口、鉗臂、鉗殼、推拉連桿、聯(lián)結(jié)銷軸等。兩個(gè)鉗口分別通過銷軸裝在兩個(gè)鉗臂上，鉗口上的銷軸孔徑比銷軸大的多，夾緊鍛件時(shí)主要靠鉗臂與鉗口上面的圓弧臺(tái)階面受力，銷軸不受力；鉗臂又由銷軸固定在鉗殼里，鉗殼后端大法蘭與鉗桿由螺栓連接在一起。鉗臂由連桿連接到夾緊缸上。夾鉗裝置大都采用這種結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 夾鉗裝置三維模型

夾鉗裝置中的鉗臂是夾持鋼錠完成各種鍛造動(dòng)作的關(guān)鍵零件，其強(qiáng)度能否滿足要求十分關(guān)鍵。下面詳細(xì)分析夾鉗裝置中鉗臂在不同工況下的受力狀況。

2 鉗臂受力分析

鉗臂主要受到來自鉗口的夾緊力。由于在鍛造過程中鉗頭經(jīng)常旋轉(zhuǎn)，鉗口的位置也隨著變化，因此要計(jì)算鉗口在水平位置和垂直位置兩種情況時(shí)的夾緊力，而取其中較大夾緊力作為實(shí)際夾緊力計(jì)算。因此首先分析鉗口受力。

2.1 鉗口在水平位置受力

根據(jù)夾緊力計(jì)算公式[10]：

P水夾=2L0Gtan（α-ρ）/y

式中：L0—鍛件重心至鉗口銷軸中心的距離；

G—操作機(jī)的公稱載重量；

α—鉗口夾角的一半；

ρ—摩擦角，ρ=tan-1f，f為鉗口與錠子之間的摩擦系數(shù)[11]。

2.2 鉗口在垂直位置受力

根據(jù)夾緊力計(jì)算公式：

式中：G—操作機(jī)的公稱載重量；

δ—上下兩鉗口銷軸中心間距離；

φ—允許鍛件下墜轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，取為0°。

由以上計(jì)算得到鉗口在垂直位置的夾緊力為4.9MN，鉗口在水平位置的夾緊力為6.15MN。所以取鉗口在水平位置受到的最大夾緊力來校核鉗臂的強(qiáng)度。

3 鉗臂力學(xué)模型

夾鉗裝置為典型的對(duì)稱件，為縮短計(jì)算時(shí)間取一半模型計(jì)算，同時(shí)為了準(zhǔn)確、方便地加載力，將鉗臂、連桿、鉗口等件裝配到一起按接觸分析計(jì)算。以下針對(duì)夾鉗裝置實(shí)際工作中的各種動(dòng)作，分四種工況分別建立模型。

（1）工況一。當(dāng)夾持力矩最大，鉗口開口最小時(shí)，根據(jù)力的平衡關(guān)系，以鉗臂作為研究對(duì)象，它受到鉗口處工件的反作用力P夾/2和夾緊缸的夾緊力P推/2由此得出O處受力大小和方向。鉗臂計(jì)算力學(xué)模型如圖2所示。

（2）工況二。當(dāng)夾持力矩最大，鉗口開口最大時(shí)，同上根據(jù)力的平衡關(guān)系，得到鉗臂計(jì)算力學(xué)模型如圖3所示。

（3）工況三。鍛造時(shí)，由于鍛件變形使得鉗桿強(qiáng)行向下運(yùn)動(dòng)，提升缸大腔的油排入蓄能器，使蓄能器內(nèi)液壓油壓力升高產(chǎn)生一個(gè)附加力偶矩，將該附加的力偶矩疊加到工況一上，由此建立力學(xué)模型。

圖2 工況一鉗臂模型圖

圖3 工況二鉗臂模型圖

圖4 工況三鉗臂模型圖

（4）工況四。鍛造時(shí)，壓機(jī)壓住工件，而鉗桿在旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)鉗臂旋轉(zhuǎn)時(shí)附加扭矩，將該附加的扭矩疊加到工況一上，由此建立力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 工況四鉗臂模型圖

4 鉗臂有限元計(jì)算及結(jié)果

采用NX I-deas軟件對(duì)鉗臂進(jìn)行分析，用四節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，共劃分139966網(wǎng)格。鉗臂所用材料為一種特殊合金鑄鋼，極限強(qiáng)度為900～1100MPa，屈服強(qiáng)度為830MPa。在連桿、銷軸、鉗口與鉗臂之間建立接觸對(duì)，設(shè)置好載荷、約束等邊界條件后進(jìn)行計(jì)算。如圖6所示為計(jì)算后得到的應(yīng)力云圖。

圖6 各工況下鉗臂應(yīng)力云圖

上圖各工況中左邊云圖所顯示為該工況下鉗臂最高應(yīng)力值區(qū)域，右邊云圖為該工況下鉗臂次高應(yīng)力值區(qū)域。

由圖可以清晰看到，在連桿和鉗臂連接的銷軸孔處應(yīng)力值最高為407MPa，從材料的屈服極限計(jì)算，鉗臂的安全系數(shù)為2。從零件該處的受力分析，它主要是受到連桿傳過來的夾緊缸的力，該處以壓應(yīng)力為主。鉗臂的次高應(yīng)力值區(qū)域是一個(gè)由窄變寬的圓弧過渡區(qū)域，應(yīng)力值最高達(dá)348MPa，該處以拉應(yīng)力為主，因此該處的圓弧半徑在結(jié)果許可時(shí)盡量取大值。

5 結(jié)論

鍛造操作機(jī)夾鉗裝置中的鉗臂在實(shí)際工作中受力復(fù)雜，在整臺(tái)鍛造操作機(jī)中它是比較關(guān)鍵的部分。本文根據(jù)實(shí)際使用分四種工況分析鉗臂的受力，并經(jīng)有限元計(jì)算得到鉗臂各部位應(yīng)力分布，經(jīng)多次計(jì)算對(duì)應(yīng)力值較高部位進(jìn)行優(yōu)化，使得鉗臂設(shè)計(jì)最終滿足強(qiáng)度要求。

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