摘要：整体机架铸造工艺复杂，磨具庞大，造成较高的铸造费用。引起磨具庞大的原因除了机架结构庞大之外，回程缸支座外凸也是造成磨具庞大很重要的原因，新设计方案将回程缸支座单独加工，再安装到整体机架上。文采用Solidworks软件对整体机架双立柱下拉式快锻压机机架进行三维建模，利用Hypermesh软件进行有限元分析前处理，再用ANSYS软件计算出机架在回程缸作用时机架的受力状态。对多种机架设计方案有限元计算结果分析对比，得到整体机架的最优结构形式。为整体机架下拉式液压机机架的优化减重提供了理论依据，同时也为以后整体机架双立柱下拉式结构的优化设计指明了方向。
关键词：快锻液压机；整体机架下拉式；结构设计；有限元法
中图分类号：TG315.4
快锻液压机组是一种能够完成各种自由锻造工艺的现代化机组。机组一般由主机、输料机、操作机以及相应的液压控制系统、电器控制系统等组成。锻造砧具下拉式快锻液压机组主机结构形式多为单缸，整体框架双柱结构。主要由机架、固定梁、工作缸、回程缸、导向装置、锻造工具、行程检测装置、润滑系统组成，并配有移动工作台，横向移砧装置等部件组成[1]。主机是快锻液压机组中最关键的设备，而机架又是主机中的主要受力元件之一，其强度和刚度直接影响整机的使用性能和加工精度。下拉式机架的主要结构特点是：压机的中间横梁为安装在设备基础的固定件，以机架为运动部件，工作主油缸或油缸组件安装在固定梁和机架之间。机架是下拉式快锻液压机组主机的主要受力部件，承受着压机的全部载荷。机架与移动工作台中心线成一定角度摆放，机架表面紧固有自润滑导板，保证机架在运动状态下不受磨损。回程缸一般采用活塞缸，缸体固定在固定梁上，活塞杆固定在机架上。缸体与活塞杆、固定梁之间均采用球面联接，以减小偏心锻造时导套与密封件的侧向力[2]。本文分析比较三种机架设计方案，在回程缸作用时各部件的受力状态，得出最佳设计方案，为以后该型机架的设计优化提供参考，为后续标准件的选取提供理论依据。
1几何模型的建立
本文分析在回程缸受力时，机架的受力状态。此状态下回程缸内油压与机架、耳座和上砧的重力平衡，故快锻压机机架模型包括：机架、上砧、回程缸支撑耳座、回程缸柱塞和安装螺栓等。由于下拉式结构机架较为复杂，Solidworks作为一款拥有强大的参数化建模的三维CAD软件，可以建立非常复杂的实体模型，选用Solidworks创建机架三维几何模型。考虑到计算精度、收敛性和计算效率等因素，对模型进行合理简化。去掉明显不影响结构强度和刚度的特征，如：小的圆角、倒角、螺纹孔和销孔[3]。三种分析机架设计方案分别为：采用整体铸造的原始方案；将单独加工的方形回程缸支座安装到机架上的更改方案1；将单独加工的圆形回程缸支座安装到机架上的更改方案1。
2有限元模型的建立
2.1网格划分
在Solidworks中建立三维模型后，使用中间格式（如IGES）直接导入ANSYS中虽然很方便，但导入后的模型往往会出现一些问题。对于复杂的模型，不仅导入模型的时间长，还会影响分析的精度和准确性[4]。为避免上述问题，本文采用Hypermesh划分网格。将SolidWorks建立的三维模型以step格式导入Hypermesh，在Hypermesh中对机架部件进行有限元分析前处理。模型主要采用Solid185实体单元，预紧力拉杆（螺栓）简化为3D杆单元，安装螺母采用Mass21单元。机架原始方案模型共有747190个单元，170348个节点；机架（更改方案1）模型共有1600339个单元，356624个节点；机架（更改方案2）模型共有个1423411单元，315546个节点[5]。三种机架有限元网格质量优秀。
2.2材料参数
仿真分析中机架、上砧何耳座的材料为ZG25Mn，耳座和柱塞材料为45号钢，材料。
2.3定义接触
机架各部件之间通过定义接触对来模拟双立柱下拉式整体机架零部件之间的连接关系。接触关系见表2。接触分析是比较复杂的非线性分析，ANSYS非线性分析中提供了7种接触类型，其中标准接触（standard）包括法向接触闭合和分开，该接触模式考虑了粘着摩擦和滑动摩擦。当施加外力后两个接触面慢慢靠在一起，外力撤销后，接触面又回到原来的分离状态。即标准接触行为概括为分开状态-闭合状态-分开状态。当两个接触面靠在一起时，既存在正压力，同时存在沿切向的摩擦力[6]。
2.4边界条件和载荷
1）位移边界条件：分析机架在回程缸作用时的受力状态时，回程缸内的压力与机架、耳座和上砧的重力形成一对平衡力，此处等效地将约束施加到回程缸柱塞上端面，约束其xyz三个方向的位移。2）工作载荷的施加：在回程缸作用时，考虑到缸内压力与重力的平衡关系，工作载荷即为上述所有部件的自身重力[7]。
3下拉式整体机架结构分析
基于此次分析的目的，采用准静态的分析方法[8]。将Hypermesh中创建的有限元模型导入到ANSYS中，进行分析计算。计算后机架及各部件的等效应力云图。3.1机架原始设计方案计算结果由以上云图可以看出，在回程缸作用的工况下：机架最大等效应力出现在机架上柱塞与机架接触的边缘位置，应力值为31.046MPa,考虑到机架材料为ZG25Mn，屈服极限为295MPa,机架安全系数达到了9.5。
3.2机架更改设计方案1计算结果
由以上云图可以看出，在回程缸作用的工况下：机架最大等效应力出现在机架上机架与耳座接触的边缘位置，应力值为57.406MPa,机架材料为ZG25Mn，屈服极限为295MPa,其安全系数均达到了5；耳座最大应力为61.783MPa,耳座材料为ZG25Mn，屈服极限为295MPa,安全系数为4.8，且安装螺栓的应力为117.125MPa。
3.3机架更改设计方案2计算结果
由以上云图可以看出，在回程缸作用的工况下：机架最大等效应力出现在机架上机架与耳座接触的边缘位置，应力值为67.630MPa,机架材料为ZG25Mn，屈服极限为295MPa,其安全系数均达到4.4，耳座最大应力为84.62MPa,耳座材料为ZG25Mn，屈服极限为295MPa,其安全系数均达到了3.5；且安装螺栓的应力为117.125MPa。
4结论及意见
1)回程缸作用的工况下，仅从实际工作需求方面考虑三种设计方案均能满足设计要求，且安全系数较高；
2)但从铸造和机加工艺难度及成本考虑，设计方案2明显优于前两种设计方案；
3)由图10可见，最大等效应力值出现在耳座与机架接触的边缘位置，但机架与耳座的台面接触位置应力值也较大，则有明显的应力集中现象。建议机加工时，对两者预留2~5mm间隙，既方便耳座安装，又可避免耳座上表面与机架台面直接接触而出现应力集中[9]。
参考文献：
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[2]徐宇谨,韩大卫,黄新,等.快速锻造液压机组主机结构型式与选型[J].重型机械,2004,06:45-47.
[3]张盛华,快锻液压机机架的有限元分析[D].西北工业大学材料加工工程系,2004:20-32.
[4]李吉萍,薄板成型液压机全模型有限元分析[J].甘肃科技,2014,30(21):54-56.
[5]王亚军.大型结构整体建模及八万吨压机主机架分析与优化设计[D].中南大学机械设计及理论系,2008,60-68..
[6]侯晓望,基于有限元分析的液压机结构优化[D].浙江大学化工过程机械系,2005,14-25.
[7]范玉林,张营杰,房志远,牛勇.45/50MN快锻油压机本体结构设计分析[J].锻压装备与制造技术,2011（4）:24-26.
[8]闫红红,李永堂,刘兴,等.80MN双柱斜置式快速锻造液压机有限元分析[J].锻压技术,2013,01:93-97.
[9]张洪亭,郭立新,张省,等.锻压机架的有限元计算与模型实验研究[J].冶金设备,1998（6）:6-9.
作者：王卫强 姜峰 胡天威 单位：兰州兰石能源装备工程研究院有限公司
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