大型卧式金属挤压机结构设计的解析研究

王勇勤，张 飞，严兴春，韩炳涛，张 君，房志远

(1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400030;2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 721000)

0 前言

金属挤压成型是利用金属塑性成形原理进行压力加工的一种优质、高效、低消耗的少无切屑加工工艺。在机械、轻工、航天航空等制造领域得到越来越广泛的应用。从某种意义上说，挤压技术的发展程度是衡量一个国家制造业，甚至工业现代化水平高低的一个重要标志。金属挤压机作为实现金属挤压加工的最主要设备，工作时的安全性和可靠性显得十分重要。

近年来，技术人员对金属挤压机的研究十分活跃，储伯温［1］系统地介绍了世界范围内铝挤压技术与设备的最新进展，阐述了我国铝挤压设备的现状及其与国外先进水平的差距;张海军［2］介绍了国内外卧式挤压生产工艺技术及生产装备的发展历程;王勇［3］利用有限元软件MSC.Marc建立了36MN镁挤压机扁挤压筒三维有限元模型，同时考虑温度影响，获得了装配和工作状态下扁挤压筒应力场;石如磐［4］利用MSC.Marc对预紧和工作载荷下挤压机机架进行受力变形分析，得到了机架变形云图和压柱变形规律;蒋士博［5］就某厂31.5 MN挤压机前后横梁移位的情况，通过空气动力学分析和计算，找出了前后横梁移位的原因并提出了解决方案;杨国义［6］采用自制的、具有锁紧装置的液压顶紧装置将16 000 kN卧式双动挤压机活动横梁复位后，在裂缝上面、下面和侧面分别采用二氧化碳气体保护焊和直流弧焊的方法进行焊接修理了活动横梁;辜武全［7］简要阐述了小型四柱液压机横梁的设计思想。

就目前研究现状来看，关于金属挤压机前、后梁的结构设计的解析研究较少。这在一定程度上影响了快速而比较准确地进行挤压机前、后梁方案的初步设计，从而导致了大多数情况下基本上都采用类比性的设计。本文介绍了典型金属挤压机的结构特点，将前、后梁、拉杆和立柱联成一体进行分析与建模，以有限元计算结果作为对比验证的依据并计算设计修正系数，最终得到挤压机主结构参数设计的依据。

1 大型卧式金属挤压机典型结构特点

大型卧式金属挤压机通常采用三梁 (前梁、后梁和动梁)四柱式结构。250 MN卧式金属挤压机主框架结构如图1所示，前后梁内部采用箱型结构，设计时尽可能采用等强度理论，充分考虑材料的利用率，即:使设备既满足强度和刚度要求，又不浪费材料，符合轻量化设计思想。

图1 250 MN卧式金属挤压机主框架结构Fig.1 Main framework structure of 250MN horizontal metal extrusion press

在卧式金属挤压机的结构设计过程中会遇到很多问题，如为了能够承受极限工作压力载荷，最初应该如何设计前梁和后梁高度H1、H2等尺寸，前后梁内部筋板应该如何布置及其尺寸取多少合适等问题的顺利解决与否直接关系到设计周期的长短。目前，设备设计和分析的研究主要集中在有限元校核和改进方面，主结构解析设计研究很少，为了解决这个问题，本文拟将建立描述前、后梁的强度解析模型，为初定大型卧式金属挤压机尺寸提供参考。

2 大型卧式金属挤压机主结构建模

前、后梁的箱体筋板布局结构增加了设计计算的难度，为了简化分析，将前、后梁沿着具有特殊特性的截面截开 (如图1所示)，各个截面的惯性矩不同，由前梁、后梁、立柱和拉杆通过预紧组合成一体的结构简化成一个变截面框架，为了提高计算的准确性，可以尽可能多分段。

图2 框架结构等效模型Fig.2 Equivalent model of frame structure

为了计算上下梁上的最大应力，可以将整个框架进一步简化为一个封闭刚性受力框架，如图3所示，将O、T、G三点转换为铰支点，并引入两个未知内力矩x1、x2。

x1、x2的值由正则方程确定。

图3 等效封闭刚性受力框架Fig.3 Equivalent close rigidity stress frame

其中正则方程的六个系数按照维利沙金法则确定:

将这六个系数带入正则方程，计算出x1和x2为

3 计算结果分析

250 MN卧式金属挤压机的设备及力能参数见表1，将其带入式 (1)～式 (7)得x1=+1.9203×109，x2= －7.8938×1010。

表1 250 MN挤压机各参数的数值Tab.1 Parameters of 250 MN horizontal metal extrusion press

根据前、后梁框架的受力及内力矩x1、x2的大小，分别画出前、后梁的弯矩图，如图4所示。根据弯曲应力公式计算变截面梁上各处应力，如图5所示，上下梁应力最大处都在上下梁的中间部位，上梁的最大应力为44.4 MPa，下梁的最大应力为26.1 MPa，将解析方法算出来的最大应力与有限元算出来的结果进行对比，即可确定修正系数K的值，如表2所示;此外，按照同样的方法，表2中还列出了225 MN、125 MN两种大型金属挤压机长度方向及宽度方向的解析及有限元计算结果。

由表2三种型号的挤压机结果比较可知，前梁的应力修正系数范围为1.5～3，后梁的应力修正系数为2～3.5(225 MN前梁应力修正系数达到4.73，这是由于边缸压迫上面板，在上面板形成的局部较大的拉应力所致)。

图4 前后梁弯矩图Fig.4 Equivalent close rigidity stress frame

图5 前后梁应力图Fig.5 Equivalent close rigidity stress frame

表2 三种挤压机机架前后梁单向拉应力比较Tab.2 One-way pulling stress of front and rear platens on three extrusion press frameworks

4 结论

本文将大型卧式金属挤压机前梁、后梁、拉杆和立柱组成框架结构，通过建立正则方程联立求解等效封闭变截面受力框架附加弯矩及弯矩分布，以有限元计算结果为参考进行修正前、后梁的解析模型，前梁的应力修正系数范围为1.5～3，后梁的应力修正系数为2～3.5。依据这一结论，在同类挤压机的方案设计时，便可以利用解析法快速且比较准确地确定上下梁的主要结构参数。同时也为挤压机的参数化设计奠定理论基础。在上述研究的基础上作者编制了大型金属挤压机参数化设计平台，利用此平台可以实现挤压机结构的快速设计，为企业在挤压机的方案设计、快速报价等方面提供了有力的技术支撑。

［1］储伯温，权晓惠，陈世雄.铝挤压机的技术进展［J］.有色金属加工，2002，31(4):25－32.

［2］张海军，姜素云.钢管卧式挤压生产技术和装备的发展 ［J］.钢管，2011(2):39－44.

［3］王勇，王丽薇，石如磐，等.36 MN镁挤压机扁挤压筒设计 ［J］.锻压技术，2011，36(10):163－165.

［4］石如磐，王勇，王丽薇.36 MN预应力结构挤压机机架变形分析 ［J］.锻压技术，2011，36(4):100－103.

［5］蒋士博，刘旭，刘捷.3 150 T挤压机前后横梁移位事故分析及改进 ［J］.冶金设备，2010(1):58－60.

［6］杨国义.16 000 kN卧式双动挤压机活动横梁修理［J］.锻压技术，2010(1).

［7］辜武全.1 500 kN四柱液压机横梁的设计 ［A］.第四届十三省区市机械工程学会科技论坛暨2008海南机械科技论坛，2008:682－685.