陳啟升，孫珊珊，單本軍，吳守堂

（1.山東高密高鍛機(jī)械有限公司，山東 高密 261500;2.濟(jì)南鑄鍛所檢驗(yàn)檢測(cè)科技有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

閉式壓力機(jī)的機(jī)身是壓力機(jī)的基本部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要承載著關(guān)鍵的零部件，約占?jí)毫C(jī)總重的50%～60%左右，占整個(gè)壓力機(jī)加工量的20%～30%左右[1]。由于機(jī)身是承受整個(gè)動(dòng)態(tài)載荷的基體，因此，其承載特性直接決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與使用壽命。壓力機(jī)機(jī)身在設(shè)計(jì)時(shí)分為三類：開式機(jī)身、閉式機(jī)身和半閉式；按照結(jié)構(gòu)劃分可分為鑄造結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)兩種；鑄造結(jié)構(gòu)工期長(zhǎng)且環(huán)境污染嚴(yán)重，現(xiàn)在的壓力機(jī)制造廠家多采用焊接結(jié)構(gòu)；常見的開式機(jī)身有雙柱可傾式和固定臺(tái)式兩種,開式機(jī)身生產(chǎn)成本低、加工零件范圍廣、送料方便。閉式壓力機(jī)機(jī)身由于是封閉的框架，所以閉式機(jī)身的承載能力強(qiáng)、剛度好、精度高，不管是小型精密壓力機(jī)還是超大型壓力機(jī)均可采用這種形式。閉式機(jī)身又可以分為整體式和組合式，整體式機(jī)身加工時(shí)的裝配工作量較小，成本較低，但運(yùn)輸過程較為困難，故一般是公稱力8000kN以下的壓力機(jī)常采用此種方式；組合式機(jī)身加工、運(yùn)輸方便，裝配復(fù)雜，成本較高，大中型壓力機(jī)中應(yīng)用廣泛。下面著重研究閉式組合式機(jī)身受力分析與強(qiáng)度計(jì)算。

1 機(jī)身結(jié)構(gòu)分析

機(jī)身是壓力機(jī)的重要基本部件，該部件的質(zhì)量對(duì)于整個(gè)壓力機(jī)的工作性能起著重要影響。機(jī)身是壓力機(jī)結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、使用金屬材料最多、制造過程最麻煩的部件。壓力機(jī)的機(jī)身在工作中吸收一部分由于運(yùn)動(dòng)部分的速度和受力變化而引起震動(dòng)[1]。因此，機(jī)身設(shè)計(jì)的合理性研究對(duì)減輕壓力機(jī)總重量、提高整體剛度、節(jié)省制造時(shí)間、提高沖壓件的質(zhì)量和改善壓力機(jī)的外觀都有重要意義。

以JF36-630M為例介紹閉式組合機(jī)身的主要組成部分。如圖1所示，機(jī)身是全鋼板焊接結(jié)構(gòu)，底座、立柱、橫梁通過四根拉緊螺栓而組成一體，橫梁與滑塊之間采用導(dǎo)柱導(dǎo)套連接。

圖1 閉式壓力機(jī)組合機(jī)身

當(dāng)壓力機(jī)工作時(shí)，橫梁、底座和立柱間不可以產(chǎn)生間隙和錯(cuò)移，所以利用拉緊螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力使機(jī)身受壓，且在橫梁、底座和立柱接觸面上設(shè)置定位鍵。而拉緊螺栓相應(yīng)地受到機(jī)身受壓時(shí)產(chǎn)生的反力的作用，會(huì)產(chǎn)生一定的伸長(zhǎng)量，當(dāng)壓力機(jī)工作時(shí)，機(jī)身預(yù)壓縮量減小，拉緊螺栓進(jìn)一步伸長(zhǎng)。當(dāng)工作壓力增至公稱壓力時(shí)立柱的變形量變?yōu)榱?。拉緊螺栓和立柱變形簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 螺栓和立柱變形簡(jiǎn)圖

2 組合機(jī)身的預(yù)緊力分析

閉式壓力機(jī)組合機(jī)身一般都是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，由底座、滑塊、立柱和橫梁組成。壓力機(jī)在工作時(shí)，立柱，底座和橫梁之間不能產(chǎn)生間隙和錯(cuò)位移動(dòng)。因此必須給與拉緊螺栓預(yù)緊力，使機(jī)身在承受壓力時(shí)，有一定預(yù)壓縮量。同樣機(jī)身在承受拉力時(shí)，有一定預(yù)伸長(zhǎng)量。機(jī)身在工作時(shí)，它的預(yù)壓縮量減小，螺栓伸長(zhǎng)。工作壓力達(dá)到最大時(shí)，立柱的變形量達(dá)到最小。

對(duì)于閉式壓力機(jī),其組合機(jī)身的受載相對(duì)更加復(fù)雜一些，在進(jìn)行設(shè)計(jì)或者分析的時(shí)候，往往會(huì)出現(xiàn)對(duì)底座與橫梁不夠重視的情況，這是由于截面積尺寸較大的緣故，但是對(duì)于壓力機(jī)的設(shè)計(jì)，底座與橫梁的分析設(shè)計(jì)是非常重要和關(guān)鍵的。文中將拉緊螺栓和立柱在彈性范圍內(nèi)的形變特性視為線性變形，這樣，根據(jù)變形特性，就可以很容易得到拉緊螺栓和立柱的載荷變形圖，如圖3所示。

圖3 拉緊螺栓和立柱載荷變形圖

假設(shè)安裝時(shí)預(yù)緊力為Py，每跟立柱的壓縮量為λz，每根拉緊螺栓的伸長(zhǎng)量為 λl，則

式中：

m、n——立柱和拉緊螺栓數(shù)目，一般m=2，n=4；

Lz、Ll——立柱和拉緊螺栓長(zhǎng)度；

Az、Al——立柱和拉緊螺栓面積；

Ez、El——立柱和拉緊螺栓彈性模量；

Cl、Cz——立柱和拉緊螺栓在單位力下的變形。

當(dāng)壓力機(jī)機(jī)身受公稱壓力Pg作用時(shí)，拉緊螺栓除了承受立柱給它的反作用力（立柱殘余預(yù)緊力）之外，還有公稱壓力Pg。所以此時(shí)螺栓受力由Py增加到Pl，立柱受力從Py減為Pz（Pz為殘余預(yù)緊力）。由圖3可得：

拉緊螺栓和立柱的變化量都為Δλ（如圖2）；當(dāng)壓力機(jī)載荷超過量達(dá)到ZPg時(shí)，立柱變形量為零，拉緊螺栓達(dá)到最大伸長(zhǎng)量λlmax，可得

3 壓力機(jī)組合機(jī)身強(qiáng)度計(jì)算

3.1 橫梁強(qiáng)度計(jì)算

3.1.1 假設(shè)

如圖4所示，橫梁的強(qiáng)度計(jì)算是建立在以下基礎(chǔ)上的：

圖4 橫梁力學(xué)模型

（1）橫梁是個(gè)簡(jiǎn)支梁，兩支點(diǎn)間距為拉緊螺栓的中心距；

（2）僅考慮最大彎矩和剪切力的影響；

（3）考慮滑塊偏心載荷的影響，作用在滑塊兩受力點(diǎn)的作用力 P1=2P2=2/3Pg，P2=1/3Pg。

3.1.2 強(qiáng)度條件

3.2 底座強(qiáng)度檢驗(yàn)

4 JF36-630M壓力機(jī)機(jī)身受力分析

壓力機(jī)機(jī)身在工作時(shí)承受兩個(gè)力，一個(gè)作用在工作臺(tái)上，方向向下，另一個(gè)是方向向上的作用在曲軸支撐孔上，兩個(gè)力大小相等。這兩個(gè)力都是以均面載荷的形式作用在機(jī)身上，工作臺(tái)載荷施加在與工作臺(tái)完美粘結(jié)的剛性面上，壓力機(jī)通過地腳螺栓將機(jī)身固定在地基上。

4.1 組合機(jī)身受公稱力計(jì)算

JF36-630M型壓力機(jī)公稱力Fg=6300kN，由于飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生慣性力，影響機(jī)身的疲勞壽命，因此不能直接取公稱壓力作為機(jī)身的外載荷。帶有液壓超負(fù)荷保護(hù)裝置的產(chǎn)品，應(yīng)按公稱力的110%進(jìn)行超負(fù)荷實(shí)驗(yàn)[2]。為保證安全生產(chǎn)，在分析機(jī)身的應(yīng)力和變形過程中機(jī)身承受的總壓力F=1.1Fg=6930kN。壓力機(jī)機(jī)身受力簡(jiǎn)圖如圖5所示。

由于壓力機(jī)工作狀態(tài)下，總應(yīng)力循環(huán)為脈動(dòng)循環(huán)方式，所以需要計(jì)算材料在脈動(dòng)循環(huán)下的疲勞極限σ0[3]：

式中：σ-1——材料在對(duì)稱循環(huán)下的疲勞極限，值為170MPa；

Ψ——彎曲應(yīng)力下材料特性常數(shù)，值為0.2。

圖5 機(jī)身受力簡(jiǎn)圖

其中n1為生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)提供的壓力機(jī)工作時(shí)的安全因數(shù)：在靜載情況下，對(duì)塑性材料可取n1=1.2～2.5；脆性材料均勻性較差，且斷裂突然發(fā)生，有更大的危險(xiǎn)性，所以取 n1=2～3.5，甚至取到 3～9[3]。其中 n2為壓力機(jī)工作時(shí)的動(dòng)載安全因數(shù)，動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力比理論計(jì)算的增大100%[4]，因此n2=2。當(dāng)機(jī)身加載后應(yīng)力大于[σ0]時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致不安全生產(chǎn)。

4.2 橫梁心軸軸孔上載荷的處理

圖6 心軸受力示意圖

式中：F1——橫梁前面心軸孔對(duì)心軸的反作用力；

F2——橫梁后面心軸孔對(duì)心軸的反作用力，且F1和F2的方向豎直向下。

5 小結(jié)

本文介紹了閉式壓力機(jī)組合機(jī)身的組成部分，簡(jiǎn)要說明了閉式壓力機(jī)的受力分析計(jì)算。給出了壓力機(jī)機(jī)身受力強(qiáng)度的一般計(jì)算方法，介紹了壓力機(jī)的設(shè)計(jì)理論。以JF36-630M為例，給出了組合機(jī)身的公稱力計(jì)算和橫梁心軸軸孔上的載荷計(jì)算，為后面有限元分析提供了理論基礎(chǔ)。