孫 熙 魏世偉 譙 波 邱中華

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量、成本、制造周期已成為當(dāng)代企業(yè)是否能夠立足于市場的關(guān)鍵，擠壓機(jī)主缸體壓力試驗(yàn)要求壓力高，需要灌入大量液壓油，投入大量時(shí)間進(jìn)行打壓。打壓成本和時(shí)間直接關(guān)系到整臺(tái)擠壓機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)成本和周期，本文以鋁擠壓機(jī)壓力試驗(yàn)為例，通過對(duì)憋壓桿進(jìn)行受力分析，優(yōu)化憋壓桿結(jié)構(gòu)，從而降低壓力試驗(yàn)成本，縮短壓力試驗(yàn)時(shí)間。

1 擠壓機(jī)簡介

擠壓機(jī)常見的規(guī)格有75 MN、125 MN、160 MN擠壓機(jī)。各種規(guī)格擠壓機(jī)均由缸體、擠壓桿、機(jī)架、換模工具、主剪刀、擠壓容室構(gòu)成。通過主缸體內(nèi)主柱塞的前后運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生高達(dá)28 MPa的工作壓力，帶動(dòng)擠壓桿在擠壓容室內(nèi)擠壓鋁坯。因此在制造廠裝配現(xiàn)場，均需進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力35 MPa，確保擠壓機(jī)在用戶現(xiàn)場工作時(shí)，各密封元件和重要的受力件等能在高壓下的正常使用。

2 傳統(tǒng)壓力試驗(yàn)方法及存在的問題

缸體部件主要由主缸體、主柱塞、沖液閥等構(gòu)成，如圖1。

圖1 擠壓機(jī)裝配圖

傳統(tǒng)的壓力試驗(yàn)方法，通過液壓站和沖液閥向主缸體和主柱塞之間灌入液壓油，在液壓油壓力作用下，帶動(dòng)主柱塞向右移動(dòng)，通過擠壓桿穿過擠壓容室，將壓力作用在擠壓機(jī)前梁上，產(chǎn)生擠壓力。由于主缸體內(nèi)腔尺寸?1770 mm，主柱塞行程3350 mm，因此需要灌入大量液壓油，經(jīng)計(jì)算，充滿主缸的體積達(dá)18 m3，需要80多桶液壓油。

由此可見，傳統(tǒng)液壓試驗(yàn)方法需要大量的液壓油，從液壓站灌入，完成壓力試驗(yàn)后再抽出液壓油，需要耗費(fèi)大量時(shí)間。傳統(tǒng)液壓試驗(yàn)方法存在液壓油耗費(fèi)大，壓力試驗(yàn)時(shí)間過長。操作空間局限在3350 mm范圍內(nèi)，行車起吊、操作空間狹小，僅能使用一臺(tái)行車進(jìn)行操作。

3 液壓試驗(yàn)方法改進(jìn)

在擠壓桿和前梁之間，增加一個(gè)輔助工裝，通過測量，發(fā)現(xiàn)擠壓容室與擠壓桿之間有1600 mm空擋，將剪切墊、擠壓墊厚度尺寸排除，可以制作一根長度2800 mm的憋壓工裝桿。擠壓容室內(nèi)孔直徑?460 mm，憋壓桿直徑按?400 mm進(jìn)行制作，材料選用各項(xiàng)力學(xué)性能優(yōu)良的45號(hào)鋼(調(diào)質(zhì)處理)。打壓工裝最終為尺寸?400×2800 mm的圓柱形棒料，用于減少主缸的伸出量。憋壓桿見圖2，憋壓桿壓力試驗(yàn)現(xiàn)場照片見圖3。

圖2 憋壓桿

圖3 裝上憋壓桿的壓力試驗(yàn)

改進(jìn)后，加入憋壓桿后，主柱塞行程降低到2800 mm，這樣每臺(tái)試壓油料僅需要40余桶，與傳統(tǒng)方法相比，壓力試驗(yàn)時(shí)間和耗油量均有很大改善。

在75 MN鋁擠壓機(jī)裝配中，總裝完成后，需進(jìn)行35 MPa主缸壓力試驗(yàn)，由于試驗(yàn)工裝在壓力作用下產(chǎn)生變形，擠壓容室受憋壓桿側(cè)向擠壓發(fā)生位移，因而容易對(duì)整個(gè)擠壓機(jī)設(shè)備精度造成嚴(yán)重破壞。而且，此設(shè)備共有5臺(tái)，若采取同樣的試驗(yàn)方案，將對(duì)整個(gè)試驗(yàn)造成較大影響。

綜合分析，在壓力達(dá)到高壓范圍后，擠壓容室相對(duì)于擠壓機(jī)本體發(fā)生位移，壓套裝配精度產(chǎn)生變化，引起擠壓機(jī)整體基礎(chǔ)精度下降，停止試驗(yàn)后，對(duì)打壓工裝進(jìn)行拆除，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入擠壓容室部分的憋壓桿變形嚴(yán)重，這是造成擠壓容室發(fā)生位移的主要原因。

如果不進(jìn)一步改進(jìn)，一根憋壓桿僅能完成1～2臺(tái)擠壓機(jī)的壓力試驗(yàn)，彎曲變形后需重新投料制作新憋壓桿才能完成剩余幾臺(tái)擠壓機(jī)的打壓。且彎曲變形后，造成擠壓容室位移，需花費(fèi)大量時(shí)間重新調(diào)整，因此，本方法雖然節(jié)約了油料消耗，縮短了液壓試驗(yàn)時(shí)間，但是制作憋壓桿工裝成本較高，且有造成擠壓容室位移的風(fēng)險(xiǎn)。

4 憋壓桿受力分析

憋壓桿受力可以簡化為壓桿穩(wěn)定校核模型，如圖4。對(duì)于中心受壓的憋壓桿，只有軸向壓力P等于臨界載荷Pcr時(shí)，憋壓桿才會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 憋壓桿受力

4.1 兩端鉸支約束憋壓桿的臨界載荷計(jì)算

設(shè)憋壓桿處于臨界狀態(tài)，建立w-x坐標(biāo)系，在距離左端為x的截面處的撓度為w，則該截面的彎矩為：

M(x)=Pcrw

(1)

撓曲線的近似微分方程為：

EIw″=M(x)=-Pcrw

(2)

若令k2=Fcr/EI

(3)

則式(2)可以寫成：

w″+k2w=0

(4)

這個(gè)二階常系數(shù)線性微分方程的通解為：

w=C1sinkx+C2coskx

(5)

根據(jù)壓桿的約束情況，有兩個(gè)邊界條件：在x=0處，w=0；在x=l處，w=0。

將第一個(gè)邊界條件代入式(5)，得C2=0

式(5)可改寫成

w=C1sinkx

(6)

式(6)表示撓曲線為正弦曲線。將第二個(gè)邊界條件代入式(6)，可得C1sinkl=0，由此得到sinkl=0

可知kl=nπ，n=0，1，2，3，

(7)

將式(7)代入式(3)得到

Pcr=π2n2EI/l2，n=0，1，2，3，

(8)

根據(jù)公式(8)應(yīng)選壓桿失穩(wěn)時(shí)的最小臨界力，即當(dāng)n=1時(shí)，得到Pcr=π2EI/l2(歐拉公式)。

4.2 其他約束條件下憋壓桿的臨界力

當(dāng)壓桿的約束情況發(fā)生改變時(shí)，臨界載荷相應(yīng)變化。但根據(jù)兩端鉸支壓桿的撓曲線(半波正弦曲線)，與其他約束條件的撓曲線綜合，可得到歐拉公式的一般形式：

Pcr=π2EI/(μl)2

(9)

圖5 常見約束細(xì)長壓桿的長度因數(shù)

壓桿處于臨界狀態(tài)時(shí)，臨界應(yīng)力為：

σcr=Pcr/A=π2EI/[(μl)2A]

(10)

如令λ=μl/i，則細(xì)長壓桿的臨界應(yīng)力為：

σcr=π2E/λ2

(11)

歐拉公式的適用條件是：

σcr=π2E/λ2≤σp或λp≥π(E/σp)1/2

(12)

只有當(dāng)柔度λ≥λp時(shí)，歐拉公式才適用。這一類壓桿稱為大柔度桿或細(xì)長桿。在實(shí)際工程中，如果壓桿的柔度小于λp時(shí)，不能應(yīng)用歐拉公式來求解臨界應(yīng)力。而通常采取相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算σcr=a-bλ。

幾種常用材料的a和b值見表1。

表1 常用材料的a和b值

經(jīng)驗(yàn)公式σcr=a-bλ的適用條件是λs<λ<λp。柔度小于等于λs的壓桿，塑性材料的臨界應(yīng)力為σcr=σs。三類壓桿的計(jì)算公式以及適用范圍見圖6。

圖6 臨界應(yīng)力總圖

4.3 憋壓桿穩(wěn)定性校核

根據(jù)75 MN鋁擠壓機(jī)實(shí)際打壓工況，主缸內(nèi)的液壓油推動(dòng)主柱塞以及擠壓工具(圖7)向前移動(dòng)，將力傳遞給憋壓桿(圖8)。

綜上所述，在可持續(xù)發(fā)展大環(huán)境下，傳統(tǒng)金融發(fā)展方式已經(jīng)無法滿足新時(shí)代具體要求，綠色金融的發(fā)展，具有一定必然性。綠色金融長效機(jī)制的構(gòu)建，要與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展需求保持一致，這就必須要注重政策保障機(jī)制、市場運(yùn)作機(jī)制以及人才培訓(xùn)機(jī)制的規(guī)范化構(gòu)建，加強(qiáng)對(duì)綠色金融的可持續(xù)性發(fā)展研究分析，確保綠色金融長效機(jī)制符合市場特征并滿足金融行業(yè)發(fā)展需求，從而逐步增強(qiáng)金融產(chǎn)業(yè)競爭力，推進(jìn)整個(gè)行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

圖7 擠壓工具

圖8 憋壓桿

憋壓桿受力：

F=PS=PπD2/4=8.32×107N

式中D為主柱塞外徑D=1740 mm；P為試驗(yàn)壓力，P=35 MPa；憋壓桿由45號(hào)鋼制成，查表可知σs=350 MPa，σp=280 MPa，E=210 GPa，長度l=2800 mm，直徑d=400 mm。最大壓力F=8.32×107N。

計(jì)算憋壓桿對(duì)應(yīng)的λp為：

λp=π(E/σp)1/2=86

憋壓桿兩端可以簡化為一端固定，一端自由，即μ=2

憋壓桿截面為圓形，i=(I/A)1/2=d/4=0.1 m

可以求出憋壓桿的柔度，λ=μl/i=56<λp(不能采用歐拉公式判斷)。

計(jì)算憋壓桿λ0來判斷能否采用直線公式，查表可得到45號(hào)鋼的相關(guān)a和b的數(shù)據(jù)a=461 MPa，b=2.568 MPa。

λ0=(a-σs)/b=43.2<λ，即λ0<λ<λp

由極限公式σcr=a-bλ=301 MPa，可以算出臨界壓力為：

Fcr=σcrA

=3.78×107N

通過上述分析可知，要避免憋壓桿彎曲變形，只有縮短憋壓桿長度和增加憋壓桿直徑兩種方法。憋壓桿直徑受擠壓容室內(nèi)孔?460 mm限制，而且單邊要留30 mm間隙，防止彎曲變形后取不出憋壓桿，因此憋壓桿直徑?400 mm無法進(jìn)一步增加。而縮短憋壓桿長度，將增加缸體內(nèi)主柱塞的行程，灌入的液壓油相應(yīng)增加。因此通過憋壓桿受力分析，在保證不彎曲的前提下，優(yōu)化憋壓桿結(jié)構(gòu)，使憋壓桿長度盡量長，才能最大化的降低液壓油消耗，并縮短試壓時(shí)間。

5 憋壓桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過上述分析，對(duì)憋壓桿進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，制作一根?400 mm×450 mm的憋壓桿1，材料為42CrMo(見圖9)和一根?800 mm×2000 mm憋壓桿2，材料為45鋼(見圖10)。自行設(shè)計(jì)工裝尺寸，滿足讓工裝伸出擠壓容室的長度，通過測量，尺寸長度定位450 mm，為避免對(duì)擠壓工具傷害拉緊螺桿的螺紋，采用尾部銷軸式安裝設(shè)計(jì)，間隙設(shè)計(jì)為0.15～0.25 mm，長度300 mm。

圖9 ?400 mm的憋壓桿1

圖10 ?800 mm×2000憋壓桿2

壓力試驗(yàn)時(shí)，將憋壓桿1裝入擠壓桿對(duì)應(yīng)孔內(nèi)，使憋壓桿一端有定位支撐，另一端支墊平穩(wěn)后行車脫鉤，節(jié)省一臺(tái)行車起吊。用行車將憋壓桿2吊起，一端與憋壓桿1接觸，另一端與工件前梁部件接觸，打壓過程中行車不脫鉤。根據(jù)計(jì)算，?450 mm憋壓桿1和?800×2000 mm憋壓桿2完全能承受35 MPa試驗(yàn)壓力，不會(huì)彎曲變形。一套憋壓桿可以反復(fù)使用，降低了油料消耗，節(jié)約了打壓時(shí)間，達(dá)到預(yù)期目的。

通過壓力試驗(yàn)，工裝完全符合使用要求，未見明顯的變形，而且可重復(fù)利用節(jié)約了工裝成本約10萬元。油料消耗從原來的40桶縮減為10桶。通過降低油料消耗，減少鉗工裝配時(shí)間，總計(jì)節(jié)約費(fèi)用約15.242萬元。

6 結(jié)論

通過對(duì)擠壓機(jī)裝配與調(diào)試進(jìn)行總結(jié)分析，得出以下結(jié)論：

(1)改進(jìn)后的擠壓機(jī)壓力試驗(yàn)憋壓裝置能較短時(shí)間內(nèi)完成擠壓機(jī)憋壓試驗(yàn)，既節(jié)約了時(shí)間，又極大的降低了油料消耗。

(2)改進(jìn)后的擠壓機(jī)壓力試驗(yàn)憋壓裝置可用于其他型號(hào)擠壓機(jī)壓力試驗(yàn)。