文／魏強，石慧·中國鍛壓協會劉川·二十二冶集團精密鍛造有限公司

100MN三梁四柱模鍛壓機主機架結構設計分析

文／魏強，石慧·中國鍛壓協會劉川·二十二冶集團精密鍛造有限公司

本文設計的單缸三梁四柱壓機為100MN大型模鍛壓機，主機架作為承載工作壓力的部件是該壓機的重要組成部分?；谥鞴ぷ鞲捉Y構尺寸與工作壓力，主機架的設計制造不僅關系到壓機的工作安全和使用壽命，同時也為壓機的維護提供方便，降低壓機的制造成本。文中通過對壓機機架預緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下的模擬分析，對機架結構的剛度、強度進行校對，確保機架在額定狀態(tài)下能夠安全穩(wěn)定的工作。該壓機的分析計算為大型模鍛壓機機架提供了設計方案與校對方法。

三梁四柱結構是最常見的壓機形式，因其結構簡單，便于維護，經濟實用等特點，被廣泛應用于各種用途的壓機設計。工作缸的結構尺寸決定了壓機的工作能力，壓機本體機架的設計要保證主工作缸最大載荷工作狀態(tài)下能夠穩(wěn)定可靠的運行。作為液壓機本體核心結構，機架的機械設計是本體設計的重要組成部分。本文設計的100MN單缸三梁四柱液壓機，經SolidWorks模擬分析，直觀的展示了壓機在預緊狀態(tài)與工作狀態(tài)機架本體各個部分的受力情況與變形程度，為壓機的優(yōu)化設計提供了便利的條件與可靠的依據。

本文設計的100MN單缸模鍛三梁四柱壓機，主工作缸外徑2400mm，有效行程1300mm，工作油壓32MPa。在工作缸安全可靠、結構確定的情況下，主要對模鍛壓機的機架進行設計分析，并通過模擬校驗，對壓機本體的承載能力進行驗證。主機架是本壓機承載載荷的重要組成部分，其設計的合理性直接關系到整個模鍛壓機的安全穩(wěn)定與制造成本。本體（機架）主要包括底座、下橫梁、活動橫梁、上橫梁、立柱、螺桿等，經初步計算主體機架重量約400噸，高度約10米，最大鑄件重量可達110噸。在保證壓機安全穩(wěn)定運行的情況下，主機架的結構設計不僅影響到壓機的使用壽命，在機架的加工、制造、安裝、調試、維護等方面也體現出結構設計的優(yōu)劣性，高效低成本的設計是一臺壓機制造工藝水平的直接體現。100MN單缸三梁四柱模鍛壓機采用預應力式組合框架結構，在大型液壓機制造過程中，組合式框架將機架各部分單獨鑄造、焊接進行相關熱處理，為機架的機械加工提供了便利。而預應力式框架結構相比整體式框架減少了局部應力集中，提供了機架的疲勞抗力與壓機承載能力，保證了壓機的可靠運行，在本體結構中，很大程度的降低了壓機重量。為確保壓機本體的設計合理有效，利用SolidWorks分別模擬計算預應力機架在預緊狀態(tài)和工作狀態(tài)下機架剛度與強度的承載情況。

本體機架預緊力

三梁四柱模鍛壓機各部分受力結果如下： ⑴主工作缸最高工作壓力：100MN；⑵主機架在最高工作壓力下的總預緊力：130MN；⑶主機架共有4根立柱，每根立柱中包含4根螺紋拉桿，每根拉桿在最高工作壓力下的預緊力為8.2MN。

主機架的材料參數

上橫梁、活動橫梁、下橫梁材料為ZG20SiMn，該材料彈性模量E=2.1×1011Pa；泊松比μ=0.29；屈服強度σs≥327MPa；抗拉強度σb≥516MPa。

四根立柱材料為Q345，該材料彈性模量E=2.06×1011Pa； 泊 松 比μ=0.28； 屈 服 強 度σs≥345MPa；抗拉強度σb≥470MPa。

機架結構模擬分析

機架模型建立

主機架模型為三梁四柱結構，機架尺寸為4300mm×2820mm×905mm，上橫梁與下橫梁通過四根立柱對接，立柱中空，每根立柱內包含4根拉桿，通過拉桿提供預緊力維持壓機穩(wěn)定運行。立柱不僅支撐上橫梁與下橫梁，使其在預緊狀態(tài)保持本體穩(wěn)定，同時也為活動橫梁提供水平方向導向平衡。根據SolidWorks模擬分析的要求，本次模擬算例對主機架作了相應模型簡化工作。與此同時，對三梁四柱模鍛壓機進行分析計算時，考慮到整體計算時，由于零件較多，劃分整個機架網格運算，往往會遇到網格無法劃分，或者在整個模型網格劃分后，計算機運算時間較長等一系列問題。本模型在水平方向為前后和左右分別對稱的結構，所以，對機架模型簡化為四分之一，即單根立柱與四分之一橫梁的算例進行分析計算。

模型簡化后，分別對預緊狀態(tài)與工作狀態(tài)下的模型進行靜應力算例分析，其網格劃分如圖1所示。左圖為預緊狀態(tài)時機架模型網格劃分，包括對立柱，上橫梁，下橫梁部分的劃分，其他本體部分在預緊狀態(tài)對機架的影響與拉桿施加的預緊力相比可以忽略。右圖為工作狀態(tài)下壓機模型的網格劃分，與左圖相比，工作狀態(tài)下主工作缸內輸入32MPa的油壓，即在機架上橫梁受主工作缸底部施加的向上推力，在下橫梁上受到主工作缸柱塞施加給活動橫梁下模具坯料的壓力。壓機本體其他部分模型在工作狀態(tài)下對機架作用影響可以忽略。

圖1 簡化機架模型網格劃分

設置邊界條件與加載載荷

100MN三梁四柱模鍛壓機簡化模型在預緊狀態(tài)下設置的邊界條件與載荷如圖2所示。壓機下橫梁以立柱連接處下表面作為固定面，拉桿施加給機架的預緊力作用在上橫梁拉桿墊塊上。機架各剖面施加對稱約束，從而確保四分之一簡化模型與整體結構計算分析效果一致。

簡化模型在工作狀態(tài)下設置的邊界條件與載荷如圖3所示。工作狀態(tài)與預緊狀態(tài)相比，在工作缸內加載油壓如圖3c所示。

模型計算結果分析

⑴壓機預緊狀態(tài)機架模擬分析。

圖2 預緊狀態(tài)機架模型邊界條件與加載載荷

圖3 工作狀態(tài)機架模型邊界條件與加載載荷

圖4 機架預緊狀態(tài)水平方向與豎直方向位移云圖

①剛度分析。本體在預緊狀態(tài)下，立柱與上下橫梁等機架部分都會產生相應的彈性變形，因此，需要對該部分剛度進行計算分析。機架剛度的分析主要包括對立柱與上下橫梁在預緊狀態(tài)下的撓度以及機架壓縮量，即在水平方向（x軸）以及豎直方向（y軸）上的機架變形狀況。

圖4是機架本體在預緊狀態(tài)下上橫梁、下橫梁、立柱和墊塊在水平（x軸）方向與豎直（y軸）方向的位移云圖。圖5是各部分位移云圖總體分布情況。圖4表明，機架撓度變化即x方向位移最大值為0.0547mm，位移的變化主要集中在立柱兩端。機架壓縮量變化即y方向位移最大值為3.39mm，變化較大位置發(fā)生在立柱兩端，而立柱中部與上下橫梁壓縮變量較小。圖5顯示，位移變化最大的位置在立柱兩端以及與上下橫梁夾緊的地方，最大位移值為3.39mm，計算時設定下橫梁拉桿面為固定平面，所以位移變化顯示集中在上橫梁部分，實際情況下，位移變化會均布在上下兩端。

圖5 機架預緊狀態(tài)位移云圖

機架上橫梁與下橫梁的變形對于100MN三梁四柱模鍛壓機的總體裝配情況影響不大，壓機本體機架在預緊力壓縮量變化上也不會對安裝產生較大影響，但是撓度的變化關系到活動橫梁、主工作缸等一系列配件的安裝。據圖5分析，該本體機架的撓度變化很小，不會對壓機的安裝產生嚴重影響。

②強度分析。預緊狀態(tài)下，機架本體上橫梁與下橫梁處于壓應力狀態(tài)，合理的機架設計，應考慮到壓應力對機架產生的局部疲勞損壞，避免機架整體結構失效。

由圖6可知，壓機在預緊狀態(tài)下，上下橫梁與拉桿夾緊位置的應力集中比較明顯，立柱整體受較高壓應力作用，機架最大應力為117MPa，機架立柱部分材料許用屈服強度345MPa，而且在工作狀態(tài)下，該部分應力會大幅度降低，符合安全需求。

圖6 機架預緊狀態(tài)下的應力云圖

⑵壓機工作狀態(tài)機架模擬分析。

①剛度分析。本體在工作狀態(tài)下，除了受到拉桿對機架產生的預緊力外，上橫梁與下橫梁也會受到工作缸傳遞的載荷。因此，工作狀態(tài)下除了立柱與橫梁夾緊部分會產生彈性變形，上下橫梁也會受工作缸的作用產生變形情況。需要對上橫梁、下橫梁、工作缸以及活動橫梁進行剛度計算。剛度分析主要包括對各部分工作狀態(tài)下的撓度以及機架壓縮量，即在水平方向（x軸）以及豎直方向（y軸）上的機架變形狀況。

圖7是機架本體在工作狀態(tài)下水平（x軸）方向與豎直（y軸）方向的位移云圖。圖8是各部分位移云圖總體分布情況。圖7表明，機架撓度變化即x方向位移最大值為0.822mm，位移的變化主要集中在立柱中部。機架壓縮變量即y方向位移最大值為0.332mm，變化較大的位置集中在上橫梁連接工作缸缸底的位置。圖8顯示，位移變化最大位置出現在橫梁與立柱壓緊位置，最大值為1.52mm，相比橫梁，立柱位移變化較大，設計時應當格外注意。

上下橫梁的變形對壓機總體裝配情況影響不大，壓機本體在工作狀態(tài)下壓縮變量也不會對壓機運行產生較大影響，而工作狀態(tài)下，撓度的變化往往會影響壓機的加工精度。根據以上計算結果可知，撓度的變化主要發(fā)生在上橫梁與工作缸連接的部分，不會在加工過程中出現較大的偏心力，對加工精度影響較小。從圖中的計算結果可以看出，機架整體位移變化梯度較大的位置在上橫梁墊塊位置，所以，對墊塊的結構和厚度加以調整可以提高壓機的可靠性。

②強度分析。工作狀態(tài)下，機架本體處于拉應力狀態(tài)，考慮拉應力對機架產生的局部疲勞損壞，避免機架整體結構失效，在本體設計中應予以注意。

圖9計算結果表明，主工作缸對上橫梁與下橫梁施加的反作用力較大，局部位置出現應力集中現象，最大值達到80MPa。因為機架上下橫梁所用材料許用屈服強度為327MPa，相比之下，機架本體結構強度能夠保證壓機穩(wěn)定可靠運行。

圖7 機架工作狀態(tài)水平方向與豎直方向位移云圖

圖8 機架工作狀態(tài)位移云圖

圖9 機架工作狀態(tài)下的應力云圖

結束語

通過對100MN三梁四柱模鍛壓機主機架結構分析計算可以得知，機架立柱部分易出現較明顯的撓度變化，墊塊剛度變化較大，應當對相應結構進行調整加厚。而壓機在預緊狀態(tài)和工作狀態(tài)對上橫梁與下橫梁等本體結構影響較小，可以保證壓機穩(wěn)定可靠的運行。