基于机架刚度的大型压机预紧力研究*

刘明勇

(湖北工业大学湖北省农业机械工程研究设计院，湖北武汉 430068)

基于机架刚度的大型压机预紧力研究*

刘明勇

(湖北工业大学湖北省农业机械工程研究设计院，湖北武汉 430068)

螺栓预紧力对大型压机的使用稳定性具有决定性作用，针对某大型压机使用过程中出现机架松动现象，建立大型压机机架有限元模型，得到机架的垂直刚度与角刚度。根据预紧力压缩变形量应不少于偏心载荷的等效力与力矩产生的侧隙量，计算出等效载荷系数，结合有限元预紧力接触模型得到预紧力大小，进而确定预紧螺母旋进量，为指导设备设计及检修提供理论依据。

大型压机;强度;刚度;预紧力;有限元

1 引言

压机作为锻压机械中常见设备，使用过程中由于循环作业导致机架松动现象，对生产带来危害，需定期检修设备。目前大型自由模锻压机主要分为半预紧和全预紧两种方式［1］。半预紧结构采用立柱直接穿过上、下横梁，通过预紧螺母施加预紧力;全预紧结构采用拉杆将上、下横梁与机架紧固。压机在使用过程中容易产生偏载，施加预紧力时均考虑预紧系数，通常压力机预紧力系数取为1.2～1.5。

大型模锻设备预紧力研究方面国内外学者均作了大量工作［2－11］。德国Stuttgart大学［12］研制的高内压成形液压机预紧系数为2.2，闭式结构预紧系数可到4.75;Ludma［13］对法兰螺栓连接件预紧力分析，根据螺栓应力分析得到最佳装配预紧力;周杰［14］等研究了闭式组合机身拉杆预紧力对压机模锻精度的规律，表明预紧力对横向弯曲变形及横向错切影响较大;吴生富等研究了立柱刚度、拉杆刚度及拉杆偏置量对机架整体性能的影响，表明立柱与拉杆刚度比对整体性能影响十分明显;何敏［15］等基于接触理论对高速精密压力机预紧力进行研究，得到与实验测试吻合较好的结果。

某大型压机存在机架松动，因此需停机检修，对螺栓预紧力进行理论分析，目的为实际生产提供理论依据。

2 大型压机机架刚度分析

实际生产过程中，压机在承受载荷时机架受力主要表现为机体弯曲变形、垂直方向拉升。通常锻压零件在工作台上存在位移偏差，压机整体机架受偏载作用，导致机架弯曲变形四个立柱受力不均，横梁倾斜一定角度，使得局部立柱预紧螺母松动现象。因此，压机螺栓预紧力主要取决于整机垂直刚度与角刚度。

图1 垂直方向机身对称受力图

2.1 压机的垂直刚度

压机的垂直刚度是指对称垂直载荷作用下产生单位垂直位移所需的载荷大小，可用字母Ka表示。

由图1可知，在载荷Fn作用下产生垂向Δh位移，则:

式中:Fn压机工程力;Δh垂直方向位移量。

2.2 压机的角刚度

压机的角刚度是指机身在偏心载荷作用下，压机横梁相对于工作台平面产生单位角变形所需的扭矩，可用Kg表示。

如图2所示，机架在偏心载荷Fn作用下横梁由实线移动到虚线位置，产生垂直方向位移Δh与角度转动θ。根据等效原理，可将偏心载荷等效为中心对称载荷Fn'与转矩Mn，中心载荷Fn'产生垂直位移Δh，转矩Mn使得横梁产生转角θ。即:

式中:χ为载荷偏心距离。

图2 偏心载荷机架受力

2.3 压机机架刚度分析

某压机压力为6 000 T，为半预紧结构，采用立柱直接穿过上、下横梁，利用螺母预紧形成整个机架。采用三缸线性排布，其间距为1 600 mm;四立柱间距长2B=4 000 mm、宽2 600 mm;满负荷为6×107N。整机三维有限元模型如图3所示。

图3 压机刚度分析有限元模型

根据压机缸体额定压力为32 MPa、三缸连同作业，换算出每缸垂直方向载荷力为2×107N。在有限元模型中施加对称载荷，计算出整机应力及变形云图如图4所示。其中立柱材料为35号钢，上下横梁材料为铸钢。

图4 压机额定对称载荷下应力与位移云图

根据分析结果在额定对称载荷下整机综合应力在100 MPa以内，综合变形最大值为3.802 mm，结合整机材料均满足强度与刚度要求。选取额定载荷的50%、80%、100%、125%、150%与200%分别计算整机变形，根据式(2)计算压机垂直刚度，如图5所示。

图5 对称载荷时垂直刚度与位移变化曲线

由图5可知，随着载荷增加整机垂直方向位移Δh成线性变化，由垂直刚度曲线可知，载荷在50%至200%变化时整机垂直刚度基本保持不变，均值为Ka=1.89×1010N/m。这是由于载荷变化过程中，在垂直方向机架变形仍处于弹性变形。

根据实际压机工况，选取偏心载荷为额定载荷6 ×107N，偏心距为工作缸间距χ=1 600 mm，分别选取载荷在50%～200%间变化，根据式(2)得到压机的角刚度，结果如图6所示。

图6 额定偏心载荷下受力及位移云图

根据有限元分析结果，选取偏心载荷为额定载荷时整机大部分综合应力值均在170 MPa以内，最大综合位移为11.4 mm。由位移云图可知，偏载情况下单侧立柱与螺母出现较大缝隙，在使用过程中容易出现偏载导致机架松动现象。选取不同偏心载荷可计算出整机角刚度，如图7所示。

由分析结果知，随着偏心载荷的增大，偏转角度呈现线性增加，而角刚度值不断下降且趋势减缓，说明角度刚度随偏心载荷的增加趋于平缓，在考虑角刚度对预紧力影响时，可采用曲线后段曲线值计算。

3 大型压机预紧力研究

根据前面的分析可知，压机承受偏心载荷可等效为中心载荷与扭矩作用，如图2所示。由于等效中心载荷与扭矩作用，使得右端立柱的上横梁螺母最先松动。根据压机能力，考虑通过增大油压提供预紧力方式进行机架预紧方案。根据强度校核，各零件均满足强度要求。由于检修施加预紧力属于短时作业，在工程中可以采用。

3.1 压机预紧力接触模型

半预紧结构压机在上、下横梁与螺母之间存在接触区域。预紧力接触模型如图8所示，上横梁与螺母、下横梁与螺母间设定接触约束，采用库伦摩擦;螺母采用六面体单元，上、下横梁采用四面体单元;在螺母上设定预紧力。

图8 压机预紧力分析有限元接触模型

压机各截面的的接触状态可分为两种:工作载荷及短时冲击下预紧力可保证接触面无滑移或分离，即粘结;预紧力过小，接触面分离产生间隙或错移现象。接触条件需满足以下条件。

(1)接触对象满足无穿透约束，即法向接触条件。数学公式表示如下:

(2)接触面的摩擦模型，即切向接触条件。数学公式表示如下。

无摩擦模型，理想接触状态，接触面绝对光滑。

由于接触条件均为不等式约束，属于单边约束，通常采用增量方法求解。根据t时刻值求解t+Δt时刻的值，可将上述接触条件改写如下。

(1)法向接触条件

(2)切向接触条件

当接触面粘结无切向相对滑动时，即

分别选取螺母预紧力为额定载荷的50%、100%及200%，可计算出机架垂直变形与立柱变形量关系。根据变形协调原理，工作载荷下被连接件的压缩变形减少量等于立柱变形增加量，保证不出现预紧间隙。由预紧力接触模型计算可得预紧力、变形量与载荷关系，如图9所示。

图9 预紧力与载荷图

3.2 立柱螺栓预紧量计算

由图2可知，施加预紧力为对称中心载荷，故需将偏心载荷按间隙量相等原理计算出相应对称中心载荷。偏心载荷间隙量Δy可由等效载荷Fn'与Mn产生的间隙量ΔF与ΔM，即:

设等效系数为n，偏心距为χ，考虑满载工况Fn，结合整机的垂直刚度Ka与角刚度Kg，则:

可得:

由前分析可知:B=2 000 mm，选取最大偏心量χ =1 600 mm，可得等效系数n=1.38Ka=1.91×1010N/ m，Kg=1.6×1011N·m/rad。此时三个工作缸垂直方向等效载荷力为F1=F2=F3=2.76×107N。根据等效对称载荷Fn'=8.28×107N，由图9可知，选取预紧系数z=1.25，所需预紧力为Fy=7.3×107N。

根据压机自身能力，满足强度条件下最大载荷力为F=8.4×107N，按上述分析结果可以考虑采用自身载荷提供预紧力，此时为对称中心载荷。由预紧力载荷分析可得上、下横梁预紧螺母间隙量如图10所示。根据有限元分析结果，可得上、下横梁与螺母间隙量为:

图10 施加预紧力时立柱间隙图

实际施加预紧力过程中，可选取两种方式定量预紧力大小，即度量螺母旋进量角度与塞垫片方式。压机螺母为单头，螺距为p=24 mm，则施加预紧力时螺母旋转角度为:

根据结果可知，上、下横梁预紧螺母旋进量有所差异，主要是由于上，下横梁螺母间立柱长度不同，即有效预紧长度不同。在实际工程中可以考虑螺母旋进量统一，均采用较大值。

4 结论

通过对大型压机机架刚度分析研究螺栓预紧力大小，得到以下结论:

(1)对某压机的垂直刚度与角刚度分析可知，垂直刚度在一定载荷范围内变化不大，可以认为是定值，这是由于整体机架在垂直方向处于弹性变形;角刚度随着偏心载荷增加而减少，其变化幅度趋于平缓。

(2)将偏心载荷等效为对称载荷与扭矩对机架的作用，机架螺母松动间隙量为等效对称载荷与扭矩组合作用间隙量，从而计算出等效载荷系数。通过机架预紧力接触有限元模型，得到预紧力、载荷及变形量关系，从而确定最终整机预紧力大小。

(3)根据分析计算出压机上、下横梁预紧力间隙量，从而得到了施加预紧力时螺母的旋进角度，为工程实际提供理论依据。

［1］ 吴生富，金 淼，聂绍珉.液压机全预紧组合机架的整体性分析［J］.锻压技术，2006，31(3):111－114.

［2］ 黄 奎，莫建华，陈柏金.双柱上传动锻造水压机多根拉杆顺序加载预紧力分析［J］.中国机械工程，2008，19(7):888－890.

［3］ Weronski W S，Gontarz A，Pater Z.The research of forging process of eccentric part on three slide forging press［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，177(7):214－217.

［4］ Kornilova V.The technique of estimation of durability and remaining life of press－forging machines basic parts［J］.Obrabotka Metallov Davleniem，2005(5):11－16.

［5］ Sheu Jinn Jong，He M S.A new punch profile design for orbital forging of a bevel gear part［J］.Advanced Materials Research，2009 (12):113－124.

［6］ Li Yibo，Wu Daohui，Huang Minghui，et al.Design of parallel bearing structure for 800MN forging press with consideration of manufacturing errors［J］.Applied Mechanics and Materals，2011(52－54): 2157－2163.

［7］ Pakdil.M，Sen.F，Sayman.O，et al.The effect of preload on failure response of glass－epoxy laminated comsite bolted joints with clearance［J］.Journal of Reinforced Plastics and Composites，2007，26 (12):1239－1252.

［8］ Jiang Shuyun，Mao Hebing.Investigation of variable optimum preload for a machine tool spindle［J］.Journal of Mechine Tools and Manufacture，2010，50(1):19－28.

［9］ 唐 倩，裴林清，陆 波.大型挂载起吊系统特种螺栓强度分析［J］.重庆大学学报，2009，32(9):1028－1031.

［10］ 唐景林，李志明，马丽霞，等.预紧力框架大型液压机拉杆预紧力非缓解测量研究［J］.机械工程学报，2010，22(11):70－74.

［11］ 林 峰，颜永年，吴任东，等.现代重型模锻液压机的关键技术［J］.机械工程学报，2006，42(3):9－14.

［12］ Knezm G，Krambergeer J.Numerical analysis of the crack growth in a high loaded bolt connection［J］.Advanced in Fracture and Damage Mechanics VI，2007，348/349(9):625－628.

［13］ Ludman.John，Waterland lll，Fitzqerald A.Practical application of fastener preload guidance research［J］.ASME，2008(2):163－170.

［14］ 周 杰，伍驭美.拉紧螺栓预紧力对闭式组合机身压力机精度的影响［J］.锻压技术，2001，35(1):35－38.

［15］ 何 敏，孙 智.基于接触理论的高速精密压力机预紧力研究［J］.机械工程学报，2010，11(6):165－171.

Research on Pre－Loads of Hydraulic Press with Frame Stiffness

LIU Ming－yong
(Hubei Agricultural Machinery Engineering Research and Design Institute，Hubei University of Technology，Wuhan Hubei430068 China)

Bolt preloaded force has played important stability role in the operation stability of a large pressure machine，with a large loose frame phenomenon appeared in the process of pressure machine，the finite element model is established and the vertical stiffness and frame angle stiffness are got.According to the preloaded force compression deformation should be not less than the lateral clearance quantity produced by efficacy and torque of eccentric loading，the equivalent load coefficient is calculated，based on the finite element preloaded force contact model，the preloaded force size is got，the quantity rotated into the nut is determined，the theory basis is provided for the equipment design guidance and maintenance.

forging press;strength;stiffness;pre－tightening force;FEM

TH132

A

1007－4414(2013)05－0012－04

2013－07－23

国家自然科学基金资助项目(51235005)

刘明勇(1985－)，男，江西九江人，讲师，博士，主要从事齿轮动力学及机械结构分析方面的研究工作。