吳林峰，萬甲尚，王文

872t四柱式壓磚機機架預(yù)緊力分析

吳林峰，萬甲尚，王文

（華北水利水電大學(xué) 機械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

與國外壓磚機相比，國產(chǎn)壓磚機在近年來發(fā)展迅速且向著大噸位高效率發(fā)展。然而在實際生產(chǎn)中普遍暴露出壓磚機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足的問題，從而使壓磚機在工作過程中容易產(chǎn)生開縫和破壞的問題，已成為制約其行業(yè)競爭力的關(guān)鍵所在。本文研究的872 t四柱式壓磚機采用的是預(yù)應(yīng)力組合式框架結(jié)構(gòu)。在使用時機架受載荷作用容易導(dǎo)致機架松動，使上下橫梁與立柱之間產(chǎn)生縫隙，所以需要對機架施加預(yù)緊力，以保證機架在受載荷作用時，依然有殘余預(yù)緊力使機架保持一個整體。運用ANSYS Workbench對某872 t四柱式壓磚機機架裝配預(yù)緊力分配規(guī)律和預(yù)緊時對拉桿的預(yù)緊順序進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)按預(yù)緊順序預(yù)緊時，第一組拉桿的預(yù)緊力受第二組拉桿預(yù)緊力的影響而減小呈線性關(guān)系，且通過擬合曲線得到其函數(shù)關(guān)系,求出當(dāng)四根拉桿預(yù)緊力相等時的第一組拉桿初始預(yù)緊力大小。對實際安裝生產(chǎn)的指導(dǎo)有重要意義。

四柱式壓磚機機架；裝配預(yù)緊力；預(yù)緊力順序

四柱式壓磚機是一種可以將建筑廢渣、粉煤灰、礦渣、爐渣、電石泥等廢料壓制為磚的液壓機械。此壓磚機機架采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其目的就是在裝配過程中，用合理的預(yù)緊力和預(yù)緊順序?qū)捍u機各部件固定下來，并要確保壓磚機的各部件在工作狀態(tài)下盡可能緊密結(jié)合在一起使壓磚機正常工作。但是預(yù)緊力過小，容易導(dǎo)致橫梁與立柱之間產(chǎn)生開縫，影響壓機精度；預(yù)緊力過大，容易使拉桿產(chǎn)生早期疲勞破壞，降低拉桿壽命。對預(yù)緊力的研究通常以預(yù)緊順序、預(yù)緊方式和預(yù)緊力大小為對象來進(jìn)行研究。

壓磚機根據(jù)立柱根數(shù)可分為二柱式和四柱式，對二柱式的研究較為完善。王小紅等[1]在詳細(xì)介紹結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，對受力情況和預(yù)緊力進(jìn)行分析計算，再結(jié)合有限元分析，歸納二柱式預(yù)應(yīng)力組合框架的預(yù)緊力計算方法和受力—變形關(guān)系。黃奎等[2]采用ANSYS公司推出的協(xié)同仿真環(huán)境Workbench軟件對二柱式壓機進(jìn)行了有限元計算，得到不同預(yù)緊系數(shù)下二柱式壓機拉桿的受力情況，從中找出拉桿預(yù)緊力依加載順序而遞減規(guī)律，對實際設(shè)備安裝具有一定的指導(dǎo)意義。朱培浩等[3]對四柱式壓磚機進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)：材料力學(xué)為了計算方便，用的是簡化的模型，特別是用了等效截面的方式來處理復(fù)雜的四柱式模型，和真實模型相差較大，算出的預(yù)緊力和真實值會有較大的誤差。因此，壓磚機機架是工作裝置的重要組成部分之一，直接關(guān)系到制磚質(zhì)量和效率，有必要以盡可能較為接近的模型對預(yù)緊力預(yù)緊順序和大小進(jìn)行研究。

本文針對四柱式壓磚機為研究對象，利用Workbench軟件進(jìn)行有限元分析，對預(yù)緊順序中第二組預(yù)緊的拉桿對第一組的影響進(jìn)行研究，得到預(yù)緊力的大小和遞減規(guī)律。

1 壓磚機機架模型建立

1.1 壓磚機主要結(jié)構(gòu)及尺寸

本文所研究的四柱式壓磚機機架由上橫梁、下橫梁、立柱、拉桿和螺母組成。如圖1所示。其主要尺寸如表1所示，裝配后總高3950 mm、長2860 mm、寬1930 mm。

表1 壓磚機各部件尺寸（單位：mm)

1.2 結(jié)構(gòu)模型的簡化

四柱式壓磚機工作原理及結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，其力學(xué)性能與很多因素相關(guān)。因此為了可以有效節(jié)省模型的計算時間，更好的解決實際問題。建模時，在不影響分析結(jié)果的前提下，作以下簡化：

（1）壓磚機的材料認(rèn)為密度分布均勻，并且是理想彈性體；

（2）下橫梁被認(rèn)為固定在剛性地面上；

（3）對于明顯不會影響機架整體強度、剛度的部位，比如螺紋孔、銷孔、上橫梁和下橫梁的一些臺面等可以簡化；

（4）活動橫梁和立柱之間假定沒有運動上的干涉，于是在整個機架的分析過程中，可以去掉活動橫梁。

1.3 實體模型的建立

利用三維建模軟件SolidWorks建立機架實體模型，然后導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行有限元計算。為了保證模型的信息不丟失，在SolidWorks建立模型都以mm為單位，在Workbench中的單位制為mm-kg-s。

1.4 各部件材料屬性

各部件材料性能如表2所示。

1.5 單元類型的選擇

因為壓磚機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，故要選擇高階單元，因為高階單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲線或曲面邊界，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場函數(shù)以提高計算精度，故選擇Solid186單元。Solid186是一個高階3維20節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元，其具有的二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的網(wǎng)來解決模型復(fù)雜的問題。

1.6 網(wǎng)格劃分

由于壓磚機結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文采用網(wǎng)格自動化分方式，且人工設(shè)置網(wǎng)格大小為40 mm，壓磚機網(wǎng)格劃分如圖2所示，共有226779個單元和692044個節(jié)點。

表2 各部件材料屬性

1.拉桿；2.螺母；3.上橫梁；4.立柱；5.下橫梁。

圖2 四柱式壓磚機網(wǎng)格劃分圖

1.7 壓磚機中的接觸問題

本文所研究的四柱式壓磚機各部分之間的接觸均為面－面的接觸，且認(rèn)為各部件均為剛體。通過分析把接觸分為：上橫梁與螺母的接觸、上橫梁與立柱的接觸、上橫梁與拉桿的接觸、立柱與拉桿的接觸、立柱與下橫梁的接觸、拉桿與下橫梁的接觸和螺母和拉桿的接觸。上、下橫梁和立柱與拉桿的摩擦類型選為Frictional接觸類型，且摩擦系數(shù)選為0.3。考慮到上、下橫梁與螺母之間和上下橫梁與立柱之間的水平位移被限制，因此，選用Frictional接觸類型并不能解決問題，所以在摩擦類型里選擇rough接觸類型，此時，認(rèn)為摩擦系數(shù)無限大。螺母和拉桿的接觸為默認(rèn)的Bonded接觸類型。

2 壓磚機預(yù)緊力分析

2.1 預(yù)緊力計算

通過對機架裝配時預(yù)緊力的研究發(fā)現(xiàn)，圖3中，在施加預(yù)緊力后拉桿被拉伸，機架被壓縮，機架的壓縮由上橫梁、立柱和下橫梁的壓縮組成，拉桿的伸長量與機架的壓縮量是相等

的，即圖3中點處。當(dāng)壓磚機工作時，因施加工作載荷的原因拉桿繼續(xù)伸長，但此時機架的壓縮量變小，如果預(yù)緊力偏小，當(dāng)施加工作載荷后機架壓縮量減小到小于等于0時，即圖3中點處，此時會造成上、下橫梁和立柱之間出現(xiàn)縫隙，影響壓機的正常工作，嚴(yán)重時甚至損壞壓機，壓磚機總的預(yù)緊力一般取為公稱壓力的1.2～2倍，該壓磚機的預(yù)緊力取為公稱壓力的1.2倍：

機架共有4根拉桿，則平均每個拉桿受預(yù)緊力＝0/4＝2.55×106N。

2.2 預(yù)緊順序研究

由機械設(shè)計實際經(jīng)驗可知，在對有多根拉桿組成的機器施加預(yù)緊力時應(yīng)采用對角加力的方式。故四柱式壓磚機施加預(yù)緊力的步驟為：在施加預(yù)緊力前先把4根拉桿分為2組，其中拉桿1和拉桿2為一組，拉桿3和拉桿4為一組。在預(yù)緊過程中，預(yù)緊次序按照圖4所示編號順序：先對第一組施加預(yù)緊力，第一組拉桿受1力預(yù)緊后，機架被壓縮，拉桿受力伸長，此時同組兩根拉桿受相等的預(yù)緊力，故加載完后同組兩根拉桿的最終預(yù)緊力相等。當(dāng)?shù)谝唤M預(yù)緊后，再對第二組施加預(yù)緊力，此時第二根拉桿受2力預(yù)緊后，機架繼續(xù)被壓縮，此時第二組拉桿的初始預(yù)緊力等于最終預(yù)緊力。在實際生產(chǎn)中，要求兩組拉桿加載完成后不產(chǎn)生偏載。接下來通過有限元來模擬第二組預(yù)緊力加載對第一組的影響，從而得到第一組預(yù)緊力減小規(guī)律，來獲得準(zhǔn)確的初始預(yù)緊力。

3 有限元計算

通過以往對液壓機械的研究發(fā)現(xiàn)，材料力學(xué)為了計算方便用了等效截面的方式來處理復(fù)雜的上橫梁、下橫梁、立柱模型，和真實模型相差較大，算出的預(yù)緊力和真實值會有較大的誤差。

圖3 拉桿預(yù)緊力與變形關(guān)系圖

圖4 壓磚機拉桿預(yù)緊順序圖

對第一組初始預(yù)緊力設(shè)9個值：

（1）2.0×106N

（2）2.25×106N

（3）2.5×106N

（4）2.75×106N

（5）3.0×106N

（6）3.25×106N

（7）3.5×106N

（8）3.75×106N

（9）4.0×106N

第二組初始預(yù)緊力則始終為2.55×106N，以此來研究第二組預(yù)緊力對第一組預(yù)緊力的影響規(guī)律。

3.1 計算過程

（1）對第一組施加初始預(yù)緊力；

（2）對第二組施加初始預(yù)緊力；

（3）進(jìn)行Workbench計算；

（4）對第一組拉桿最終預(yù)緊力進(jìn)行分析。

3.2 計算結(jié)果

通過Workbench計算；得出取第一組拉桿初始預(yù)緊力為一組值時，在第二組拉桿預(yù)緊力不變的情況下，對第一組拉桿預(yù)緊力的影響如表所示。在實際工作中，由于模型的復(fù)雜導(dǎo)致無法通過建立數(shù)學(xué)模型來計算出第二組拉桿的預(yù)緊力對第一組的影響，故通過有限元來進(jìn)行一組數(shù)據(jù)的仿真計算，并擬合出第一組拉桿預(yù)緊力的變化，從而更準(zhǔn)確地得到其變化的規(guī)律。

在實際安裝中，壓磚機的四根拉桿最終預(yù)緊力要相等，使壓磚機不發(fā)生偏載現(xiàn)象，以提升壓磚機強度和工作精度。在圖5所示的應(yīng)力云圖中，當(dāng)?shù)谝唤M拉桿預(yù)緊力受第二組預(yù)緊力影響后減小為和第二組一樣大小時，此時的第一組初始預(yù)緊力為所求的預(yù)緊力。

圖5 Workbench預(yù)緊力分析應(yīng)力結(jié)果

表3 拉桿1、拉桿4預(yù)緊力有限元分析結(jié)果

圖6 拉桿預(yù)緊力擬合曲線

故從擬合曲線中得知，只要知道了四根拉桿的最終預(yù)緊力，可以得出第一組拉桿的初始預(yù)緊。根據(jù)上面坐標(biāo)系中擬合曲線呈線性關(guān)系，得出關(guān)于此線段的函數(shù)表達(dá)式為：

＝1.002＋0.1235 （2）

根據(jù)要求最終預(yù)緊力要達(dá)到2.55×106N，代入式（2）得到初始預(yù)緊力為2.68×106N。

4 結(jié)論

本文運用ANSYS-Workbench對某872 t四柱式壓磚機機架裝配預(yù)緊力分配規(guī)律和對拉桿的預(yù)緊順序進(jìn)行研究，分析得到當(dāng)壓磚機機架第一組拉桿初始預(yù)緊力大小為2.68×106N時，四根拉桿的最終預(yù)緊力相等且都為2.55×106N。第一組拉桿的初始預(yù)緊力和最終預(yù)緊力的函數(shù)關(guān)系為＝1.002＋0.1235，遞減規(guī)律呈線性關(guān)系。該結(jié)論可對壓磚機在實際安裝預(yù)緊過程中預(yù)緊力的變化作理論指導(dǎo)，對實際安裝生產(chǎn)有重要意義。

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Analysis of Pre-tightening Force of the 872 t Four-column Brick Press

WU Linfeng，WAN Jiashang，WANG Wen

( School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Compared with foreign brick presses, domestic brick presses have developed rapidly in recent years, directing towards large tonnage and high efficiency. However, in actual production, there exits the problem of insufficient structural stability of the brick press, so that it is prone to cracking and damage during the working process. This has become a major restriction to its industry competitiveness. This paper studies an 872 t four-column brick press using a pre-stressed combined frame structure. It is easy for the frame to become loose when it is under load, causing a gap between the upper and lower beams and the pillars. Therefore, it is necessary to apply a pre-tightening force to the frame to ensure that it has a residual pre-tightening force under load so as to keep the frame as a whole. This paper uses ANSYS-Workbench to study the pre-tightening force distribution rule of the frame assembly of the 872 t four-column brick press and the pre-tightening sequence of the tie rods. The tightening force is affected by the pre-tightening force of the second group of tie rods and decreases linearly, and the function relationship is obtained by fitting the curve to obtain the initial pre-tightening force of the first group of tie rods when the pre-tightening forces of the four tie rods are equal. This finding has great significance in actual installation and production.

four-column brick press frame；assembly pre-tightening force；pre-tightening force sequence

TH13；TH315.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.002

1006－0316 (2021) 04－0008－06

2020－09－10

河南省高等學(xué)校重點科研項目（20A450002）

吳林峰（1970－），女，河南潢川人，博士，教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為機械設(shè)計及振動，E-mail：327644048@qq.com；萬甲尚（1995－），河南洛陽人，碩士研究生，主要研究方向為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值分析。