（机械电子工程专业论文）大型锻造液压机刚度分析及其对动梁偏移量的影响研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 大型锻造液压机是生产大型锻件的重要设备，在国防工业、航空、航天等领 域的大型锻件生产中有着无可替代的作用。大型锻件的生产能力不仅是社会生产 的必需，更是一个国家综合国力的体现与象征。在锻压机的工作过程中，零件自 身结构不对称、摆放位置的偏心等均可能使机架产生侧推力，从而造成机架偏斜， 动梁将随之发生移动和转动，从而影响锻件的精度。本文通过对大型锻造压力机 机架刚度的分析，研究了在偏心锻造工况下动梁位置的变化情况及其对锻件精度 的影响。本论文的主要工作如下： 以1 6 5 m n 自由锻造油压机为研究对象，运用材料力学、结构力学及弹性力 学等的基本知识，采用常规的解析计算方法，计算了机架在偏心锻压工况下的偏 斜量；以大型通用有限元软件a b a q u s 作为分析工具，模拟计算了相同条件下 的机架偏斜量。结果表明，常规解析计算方法与有限元法的计算结果存在一定的 误差；对此，本文引入机架扭转刚度的概念，并对其进行了分析计算，研究了机 架连接形式及预紧系数对机架扭转刚度的影响；在此基础上，本文提出了机架水 平方向变形的改进解析计算方法，计算了1 6 5 m n 锻压机机架沿机架横向和纵向 的水平变形；分析结果表明：本文采用的改进计算方法与有限元法计算结果较为 接近，为分析计算大型锻造机刚度及在偏心锻造下机架的偏斜量提供了一种准确 高效的新方法；论文以c + + 语言编制相应的程序平台，计算动梁偏移量。 本论文的研究思路和方法用于两个方面：通过刚度计算及机架偏斜量分析， 可以计算出液压机在偏心锻造下动梁位置变化情况；在液压机完成初步设计方案 的情况下，可以根据锻件精度所确定的动梁偏移量的允许值，对液压机的刚度提 出相应要求。为液压机的刚度确定及结构设计提供理论依据。 关键词：锻造液压机；机架；偏移量；有限元 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a bs t r a c t l a r g e - s c a l ef o r g i n gp r e s su s e d t o p r o d u c el a r g e s i z e df o r g i n g s i sav i t a l e q u i p m e n t i ti si r r e p l a c e a b l ef o rt h ep r o d u c t i o no fl a r g e s i z e df o r g i n g si nt h ea r e a so f t h ed e f e n s ea n da v i a t i o n t h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo fl a r g ef o r g i n g si sn o to n l y n e c e s s a r yo ft h es o c i a lp r o d u c t i o n ，b u ta l s ot h ee m b o d i m e n ta n ds y m b o lo fan a t i o n a l s t r e n g t h i nt h ec o u r s eo fw o r k i n g ，i tw i l lc a u s eh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o no ft h ef l a m e f o rt h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r eo ff o r g i n g so rt h ee c c e n t r i c i t yo ft h ef o r g i n gi np o s i t i o n ， w h i c hm a yc a u s et h em o v i n gb e a mm o v ea n dr o t a t e t h e r e f o r e ，t h ep r e c i s i o n so f f o r g i n g sw i l lb eh i g h l ya f f e c t e db y t h es t i f f n e s so ft h em a c h i n e t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： o nt h eb a s i so ft h e o r i e sa b o u tl o a d i n g sa n dd e f o r m a t i o n so fp r e s sf r a m e sa n d b a s i ck n o w l e d g eo fm e c h a n i c so fm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r a lm e c h a n i c s ，t h et r a d i t i o n a l t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o du s e dt oc a l c u l a t et h ed e f o r m a t i o no fp r e s sf r a m e si s r e f e r r e dt oi nt h i st h e s i s a st h es p e c i f i cs t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yp a r a m e t e r so ft h e 16 5 m nf l e ef o r g i n gp r e s si sk n o w n ，t h ei d e a lr e s u l to fd e f o r m a t i o no ft h ep r e s sf r a m e i sg o tw i t ht h i sm e t h o d i no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h i sm e t h o d ，al a r g e - s c a l e d g e n e r a lf i n i t ee l e m e n ts o f t ：w a r en a m e da b a q u s i su s e di nt h i st h e s i sa n dt h ef r a m e s d e f o r m a t i o no ft h e16 5 m np r e s si ss i m u l a t e da n dc a l c u l a t e dw i t ht h es a m ew o r k i n g c o n d i t i o n ，w h i c hs h o w sal a r g ed i f f e r e n c eb e t w e e nf e m a n dt h e o r e t i c a lr e s u l t s t h e n ， at o r s i o n a ls t i f f n e s sm o d e li sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fm o d e l t h e t o r s i o n a ls t i f f n e s so ft h e16 5 m np r e s si sc a l c u l a t e da n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r e i n v e s t i g a t e d am o d i f i e dc a l c u l a t e dm e t h o di sa d o p t e df o rc a l c u l a t i n gr e s u l t sb yu s i n g t h i sm e t h o d t h eh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o n si nt h el e n g t ha n dw i d t hd i r e c t i o n sa r e p r e d i c t e dr e s p e c t i v e l y i no r d e rt ov e r i f yt h en e wm e t h o d ，t h ef e m i su s e dt os i m u l a t e t h ed e f o r m a t i o no ft h ep r e s sw i t hc o r r e s p o n d i n gw o r k i n gc o n d i t i o n t h ec o m p a r i s o n s o ft h er e s u l t sa r ew e l lm a t c h e d t h em o d i f i e dm e t h o da b o v ec o u l db eu s e dt o c a l c u l a t et h ep r e s sd e f o r m a t i o ni nh o r i z o n t a ld i r e c t i o na ta n yg i v e nf o r g i n gc o n d i t i o n ， w h i c hw i l lb ec h e c k e db yf e m a tl a s t ，i no r d e rt oc a l c u l a t et h ew o r ks h a p e r p r e c i s i o n , ac o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do nc + + l a n g u a g e i sa v a i l a b l e t h ei d e a la n dm e t h o do ft h i st h e s i si sm a i n l yu s e di nt w oa s p e c t s f o ro n et h i n g ， t ot h ed e f l e c t i o no ft h em o v i n gb e a mu n d e re c c e n t r i cf o r g i n gc o n d i t i o n ，f o ra n o t h e r t h i n g ，t os p e c i f yt h es t i f f n e s so ft h ep r e s sw i t ht h ed e f l e c t i o no ft h em o v i n gb e a m i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 l i m i t e da f t e rt h e p r e l i m i n a r yd e s i g no ft h ep r e s sf i n i s h e d i tw i l lb eh e l p f u lt os p e c i f y t h es t i f f n e s sa n ds t r u c t u r ed e s i g no ft h ep r e s s k e y w o r d s ：l a r g ef o r g i n gp r e s s ；f r a m e ；d e f l e c t i o n ；f i n i t ee l e m e n t i i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 大型锻件的生产是装备制造业的关键基础行业之一。近年来，随着我国核工 业、电力、船舶、冶金、国防以及航空工业等不断朝着大型化、巨型化的方向发 展，社会对大型锻件的需求日趋增加【l 】。锻造工艺可以显著地提高零件的机械性 能，采用此工艺生产的锻件，其金属纤维方向与零件的轮廓相符合，因此零件的 强度高、使用寿命长；锻造工艺可减少机械加工造成的材料浪费，提高金属的利 用率，减少机械加工与装配的工作量。大型、巨型锻件的制造能力不仅是社会经 济发展的必需，更是一个国家综合国力的象征与体现。随着经济的发展与科技的 进步，社会对大锻件的生产提出了更高的要求。 1 1 液压机概述 1 1 1 液压机工作原理及结构特点 锻造液压机又称液压机，用于完成锻造工艺，即在工作压力的作用下，通过 上、下砧板等工具，使钢锭或钢坯产生塑性变形，获得所需形状和尺寸的锻件【2 1 。 液压机是以液体等为介质来传递能量以实现锻压工艺的设备。最常见的液压机本 体结构简图如图1 1 所示。 小翻场彳 l 7 渊 除 i 、 | 幽幽、 6蓝 |) 广 两彝 鲈刊 一l | l 、l ： 孕彩 l 亡丁j、一 图1 1 液压机结构简图 1 - 上横梁；2 一立柱；3 动梁；4 下横梁；5 螺母；6 拉杆：7 柱塞杆 f i g 1 1d i a g r a mo fh y d r a u l i cm a c h i n es r u c t u r e 1 - u p p e rb e a m ：2 - c o l u m n ：3 - m o v i n gb e a m4 一l o w e rb e a m ：5 - n u t ：6 - p u l lr o d7 - p i s t o nr o d 它由上横梁、下横梁、立柱、拉杆和若干螺母组成一个封闭框架，框架承受 全部工作载荷。工作缸固定在上横梁上，内装有柱塞，它与活动横梁相连，活动 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 横梁以立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动p j 。 当高压液体进入工作缸并作用于柱塞时，产生了很大的工作压力，使动梁向 下运动，最终使工件产生塑性变形。锻压回程工程中，工作缸通入低压液体，高 压液体进入回程缸，使回程柱塞及活动横梁向上运动，回到原始的位置，完成一 个工作循环。液压机不同的工作行程的交替进行是由其操作系统控制液压系统来 实现的。 1 1 2 液压机的发展现状 液压机发展的历史悠久，迄今，共发展了约两百年。早在十七世纪中叶，法 国的著名科学家帕斯卡就提出了经典的静压传递原理，这为液压机的诞生提供 了理论支撑【4 】。1 7 9 5 年，世界上的第一台锻压机在英国诞生。1 8 8 4 年，世界上 首台锻造水压机在英国曼彻斯特诞生【5 | ，随后，德国先后制造了三台1 5 9 0 0 吨水 压机。二战后，为使本国的航空工业迅速崛起，美国于2 0 世纪5 0 年代左右先后 制造了3 1 5 0 0 吨和4 5 0 0 0 吨模锻水压机各一台。苏联于1 9 5 5 年到1 9 6 0 年期间先 后制造了四台3 9 0 0 0 吨和两台7 0 0 0 0 吨模锻水压机【6 】【9 1 。 国外1 0 0 m n 以上的锻造液压机约有2 0 台，大多为上个世纪5 0 6 0 年代建造， 而且经过现代化的改造，配备有锻造操作机并能与之实现工作联动。锻压机的本 体多数为传统的三梁四柱上传动式结构，采用圆立柱导向、导向间隙不可调整， 并装备有可移动式的工作台。上世纪7 0 年代后期设计制造的大型锻造压机大多 为方立柱导向、导向间隙可调，其工作台相对更大。其中的少数大型锻造液压机 采用了四柱下拉式或双柱上传动式的结构。在最近2 0 年中，由于控制技术持续 不断地进步，锻造液压机逐步由机械化向自动化过渡。 锻压工艺在我国的发展历史更加久远，早在殷商时期，就被用于兵器的制造 生产。解放前，我国锻造生产一直十分落后，只有日伪时期安装的5 m n 、1 0 m n 、 2 0 m n 和4 0 m n 四台锻造液压机；抗战结束后，仅存留一台5 m n 的液压机；至 解放初期，我国使用的液压机主要从国外进口；解放后，沈阳重型机器厂修复了 一台已经拆除了的2 0 m n 锻造液压机，为我国当时唯一的一台中型液压机；改 革开放以来，我国大型液压机的发展十分迅速。至今，我国已经形成了以天津锻 压机床和合肥锻压机床为主的南北两个大型液压机的生产基地及太重、沈重、上 重等大型液压机的生产基地。2 0 0 5 年，上重已经研发出了1 2 0 0 0 吨快锻油压机【9 1 。 目前，国内共有锻造液压机近3 0 0 0 台，大多为中小型的锻造压机，其中， 1 0 0 m n 以上的共有4 台。图2 ( a ) 为第一重型机器厂的1 2 5 m n 锻造液压机、图2 0 0 ) 为第二重型机器厂的1 2 0 m n 锻造液压机、图2 ( c ) 为上海重型机器厂的1 2 0 m n 锻 造液压机、图2 ( d ) 为上海重型机器厂的1 6 5 m n 锻造油压机。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ( d ) f i g 1 2f o r g i n gm a c h i n ee q u i p m e n t s 图1 2 锻压机设备 进入2 1 世纪，随着世界经济一体化的进程深化加速以及我国经济的空前快 速崛起，大型锻造液压机发展形势良好。目前，我国在用的4 台万吨级以上的大 型锻造液压机的生产能力已经远不能满足国内市场的需求，国际上( 全球在用万 吨级以上的大型自由锻造液压机共有1 4 台) 也存在很大的市场需求缺口。因此， 尽快地建设完善我国自主的大型锻造装备生产基地有着十分重要的战略意义【1 1 】。 其对国民经济持续健康高速发展、国防军工业现代化及各基础行业的全面提高与 崛起都具有十分重大的现实和长远意义【l2 1 。大型锻造装备的设计、制造是金属 塑性加工成型领域相对十分关键的部分，加大在这些方面的研究投入，对提高我 国锻压装备设计、制造能力并争取早日达到世界先进水平至关重要。因此，目前 世界最大的1 6 5 m n 自由锻造油压机的研制成功，对我国尽快成为全球主要大型 锻件生产国之一提供了基础和支撑。 1 2 液压机的国内外研究现状 目前，国内外对于液压机的研究主要集中于以下几个方面，即：机械本体的 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 结构优化设计、机械自动控制及锻压工艺的制定与优化。国内外众多学者对此做 出了大量的研究，下面分别做出简要介绍。 对于设备本体结构的研究目前主要有两个研究方向，即：设备整体性研究和 局部研究。在设备整体性研究上，重庆大学王勇勤教授等对锻压机预应力机架受 力与变形进行了深入的研究，针对常规方法分析与计算机架的受力与变形时的局 限性，提出了机架受力与变形的改进计算方法，对锻压机预应力机架的受力与变 形的研究和分析具有一定的参考价值【l3 】；针对锻压机采用传统设计方法时，零 件模型大量简化且零件公众特定粗略估计，很难保证计算的精度和可靠性问题， 武汉理工大学冯瑞年分析、了解锻压机的整机受力特点，在应力允许的范围内， 对关键部件进行参数化优化设计【1 4 l ；英国诺丁汉大学h o u 、c c ta r m s t r o n g 等 学者研究了锻压机的整体刚度特性，根据受力变形关系得到锻压机的空间刚度矩 阵，从而得到求解动梁空间位置变化的理论模型，并针对动梁的空间位置偏差调 整锻压工艺，从而提高锻件精度【l5 】- 【1 8 。在设备局部结构研究上，重庆大学严兴 春、江桂云等学者对1 6 5 m n 自由锻造油压机组合式下横梁进行模态分析，得出 其前十阶的固有频率和固有振型。结果表明：在锻压机设计时，应避开其中某几 阶固有频率，该研究成果为组合式下横梁的结构优化提供了借鉴【l9 】；中国重型 机械研究所杨甲申、韩炳涛等利用通用有限元分析软件a n s y s 对超大型锻压机 的组合梁进行了强度、刚度分析，得出不同工况时横梁的应力变形等，为结构设 计提供了依据【2 。 国内外学者在液压机的控制方面作了大量广泛研究。例如：燕山大学窦丽娟 对2 2 m n 快锻压机液压控制系统进行了理论分析及动态研究，提出了灰预测多 模控制策略，优化了系统的控制结果【2 i 】；燕山大学姚静等对锻压机的液压系统 进行了优化设计，达到了环保节能目的瞄】。中国重型机械研究所杨大祥、韩炳 涛等针对1 6 5 m n 自由锻造油压机的具体结构形式及主要技术参数，比较了该液 压机的液压控制类型，对控制系统中的动力系统、主控系统、外空系统等作了深 入的分析和研究【2 引。沈阳工业学院李国康和东北大学的张健成研究了2 0 m n 快 锻机液压系统的组成，提出了改造要点，开发研制了高幅脉动压力d c l v d t 位 移传感器及故障诊断系统响应的软件，实践证明该系统是可行并可信的【2 4 。 对于锻压工艺国内外学者亦做了大量深入研究，其主要目的是改善产品质量 及提高生产效率。例如：国内，上海交通大学的汪磊选取典型的钢活塞锻件为研 究对象，研究不同工艺参数对锻件表面质量、尺寸精度和模具寿命的影响，并最 终得到了锻钢活塞的合理锻造生产工艺【2 5 】；山东大学的崔荣荣等针对汽车转向 节研究了锻压工艺和模具设计方法，最终确定转向节的热模锻工艺与模具设计方 法1 2 6 】【2 9 1 。国外同样有大量的相关研究，如韩国岭南大学h y u n b os h i m 将灵敏度 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 方法引入到锻件初始形状的确定上，从而比较准确地得到目标形状【3 0 1 。 综上所述，目前国内外对于大型锻造液压机的相关研究主要集中在锻压设备 的结构优化，锻压工艺过程的制定以及锻压设备自动控制三个方面，针对大型锻 压设备自身变形等对锻件生产质量的影响等方面的研究较少。随着大型锻造工艺 生产朝着非自由化和精确化方向的发展，以提高锻件精度和质量为目的，针对大 型锻造液压机的刚度及变形等相关方面的研究，具有一定的理论和经济价值。 1 3 1 6 5 自由锻造油压机主要技术参数 本文研究对象一一1 6 5 m n 自由锻造油压机( 如图2 ( d ) 所示) 为三梁四柱的下 压式结构，即机架的下横梁通过若干组地脚螺栓与大地固定连接，动梁由固定于 上横梁上的工作油缸提供工作压力进行锻压工作。该型锻压机的主要技术参数如 表1 1 所示 3 1 ： 表1 11 6 5 m n 自由锻造压机主要技术参数 堕! 曼! ：! 坚堂塑娅里璺! 巳型堕墅q ! 些! 鱼兰垒型业塑塑也gq i ! 避! ! 公称压力 压力分级 回程力 系统工作压力 传动形式 最大工作行程 净空距 开档 允许的载荷偏心距 最大钢锭质量 锻件精度 5 5 m n 时= 7 5 0 m m 1 1 0 m n 时= 4 0 0 r a m 1 6 5 m n 时= 3 0 m m 4 5 0 吨 士2 5 m m 1 4 研究背景与研究目的 在加工过程中，由于受各种因素的影响，零件的几何要素不可避免地会产生 形状误差和位置误差( 简称形位误差) 3 2 。进行锻造生产时，我国企业制定锻压工 艺时通常需要对锻件预留较大的机械力d - r - _ 余量，以使锻件合格。因此大量的金属 由于机械加工被切削掉，这不仅造成了严重的金属材料浪费，而且耗费大量的人 一 一一 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 力物力，更重要的是，大量金属被切削，锻件自身表面金属纤维结构因此遭到破 坏，其力学性能将大大降低。 影响锻件精度的因素主要包括工人技术水平、锻压工艺的差异、锻压设备及 锻件材质的区别等【3 3 1 。若仅研究设备的影响，当进行偏心锻造时，动梁由于机 架的变形会产生倾斜及位置移动。这将导致工件表面平行度误差、厚度误差及表 面水平相对错动误差等。为了保证锻件的精度，需限制动梁由于偏载产生的角度 转动，同时尽力减小由于侧推力作用导致的动梁水平移动。由于工件的厚度误差 依靠设备自身的控制系统可以得到有效的补偿【2 3 1 ，而要控制由动梁角度转动和 水平移动引起的误差相对较复杂，故本文主要研究偏心工况下动梁倾斜量和水平 移动量，从而可以从工艺设计等方面加以补偿。 当进行偏心锻造时，若机架的预紧系数或连接形式不同，机架在相同侧推力 的作用下可能产生不同的偏斜量，动梁的角度倾斜量及水平位移量可能不同，最 终将影响锻件的精度，需要加以研究。 1 5 论文的研究内容 为了从理论上研究分析大型锻造液压机机架的倾斜变形对锻件精度影响，本 课题从以下几个方面进行了比较深入的理论分析和研究：建立了一套数学模型， 并在此基础上编制了相应的m a t l a b 计算软件3 4 】【3 4 】【3 5 1 。具体针对1 6 5 m n 锻压机 机架刚度模型所涉及的内容，本文主要包括锻压机机架水平方向推力及变形的理 论计算介绍、机架的偏转变形及其影响因素研究、动梁的角度倾斜与水平位置移 动计算分析及机架变形的理论计算方法的检验等内容。以下逐一简要说明： 锻压机机架侧推力及水平偏移的理论计算 查阅文献资料，根据传统理论方法得到锻压机在一定偏心工况下机架的受力 与偏斜量计算方法。对本项目的研究对象1 6 5 m n 自由锻造油压机进行受力分析， 计算一定锻压工况下该机架的侧推力及变形量的大小，为后续研究内容打下基 础。 机架扭转刚度及影响因素研究 对比理论计算结果和有限元法计算结果差异，引入机架扭转模型。分析机架 连接方式、预紧系数对1 6 5 m n 锻压机机架扭转刚度的影响，并计算该机架沿水 平方向变形的扭转刚度。 机架受力变形的改进计算方法研究 对传统理论计算方法加以改进，引入机架扭转刚度，得到锻压机机架偏斜变 形量的改进方法，采用此改进方法计算1 6 5 m n 自由锻造压机在一定工况下的变 形，并采用有限元法验证该方法的准确性。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 动梁倾斜及位置移动计算分析 由于动梁与机架对应点的位置关系一定，根据改进的理论计算方法可计算出 锻压机机架沿机架横向和纵向偏斜量，从而得到动梁空间偏移量理论模型，可以 快速计算出动梁的空间角度转动量及水平位置移动量，并编制相应的软件平台。 重庆大学硕士学位论文 21 6 5 m n 锻压机机架侧推力及变形研究 2 偏心锻造时液压机机架侧推力及偏斜量的计算分析 当锻压机工作时，如果工件的形状不对称或者摆放的位置偏离锻压机机架的 中心位置，机架会承受一定的偏心力矩作用而变形。为平衡此偏心力矩，活动横 梁( 以下简称动梁) 和机架相互间会产生水平作用力，此力即为机架的侧推力【3 6 1 。 机架侧推力的作用会使立柱沿水平方向产生一定量的偏斜变形。立柱作为动梁的 导向构件，其变形程度大小决定动梁的偏移量的大小。故机架变形对于大型锻压 机生产的锻件的精度将产生影响。 前苏联学者b b p 0 3 a h o b 提出了一种计算机架侧推力及偏斜量的理论方 法，即：当动梁处于一定的位置高度时，如果工作载荷及工件的位置偏心量大小 等已知，以动梁或机架为研究对象，根据力和力矩平衡以及一定的变形协调条件 可以初步求解出立柱上对应的侧推力【3 7 。其主要思想是将机架转化为超静定框 架运用结构力学的基本方法进行求解。 本章主要按照上述理论方法，利用结构力学的基本方法，结合有限元法模拟 机架特定工况下的受载状态，从而得出机架侧推力及偏斜量大小。本章对于机架 的侧推力及偏斜量的研究将为后续分析动梁的角度倾斜、水平位移等研究做准 备。 2 1 机架侧推力及偏斜量理论计算方法 当进行偏心锻造时，分别研究锻压机机架沿其横向、纵向的侧推力及偏斜量 的计算方法，一般偏心锻压工况下机架的侧推力及偏斜量为两者结果的叠加。 以16 5 m n 锻压机机架整体为研究对象进行受力分析，得到其沿机架横向和 的受力简图如图2 1 所示。图中( a ) 、( b ) 分别为沿机架横向和纵向的受力简图， t l 、t 2 、t 3 、t 4 为动梁施加给机架立柱的侧推力；1 6 5 m n 锻压机的工作油缸的 柱塞与动梁通过球面连接，n 为偏心载荷作用下上横梁承受的侧推力，m 为球 面连接引起的摩擦力矩；t 为工件施加给下横梁的作用力的水平分量；1 、2 、3 、 4 点为机架立柱与活动横梁相互作用的等效作用点。当偏心加载时，根据相关研 究得知，动梁与立柱导向套的相互作用力是按三角形分布，且力的作用点简化在 三角形的重心上。简化后，1 6 5 m n 锻压机立柱导向套与动梁的接触区域高度为 1 2 0 0 m m 。据此，可以确定立柱与活动横梁等效作用点的位置。 重庆大学硕士学位论文 216 5 m n 锻压机机架侧推力及变形研究 m 广 一nh 5 刀铽n 石忒量m 一弹一。拦，一l 糌 i s lj 上j 上上上l夕t 3 弋-v 澎t o tk 一 一 一， 叶t i 一 l 。 h 2 1 一 l 广1hs 输1 ； w l l 弋。 3 、r i 旦影ip t !4 一 i i * t 。 一 l h 2 1 1 1 b ( a ) 图2 11 6 5 m n 锻压机受力示意图 f i g 2 1l o a d i n g d i a g r a mo ft h e16 5 m np r e s s 单独研究机架的受力情况可知，由机架水平方向受力平衡及其绕o 点力矩 平衡可得 五+ 互一互一正一丁+ 2 = 0 ( 2 1 ) m 2 + n h 2 + ( 互+ 五) 啊一( 互+ 五) - ( p e + t h 3 ) = 0( 2 2 ) 为简化计算，设t l = t 3 、t 2 = t 4 【3 8 】【3 9 1 。式中，未知数为t 1 、t 2 及t ，为求解 机架侧推力，需再建立一个相关方程。 当锻压机进行偏心锻造时，在偏心力矩的作用下，动梁发生偏斜，动梁上各 点将绕工件中心做圆弧运动，如图2 2 所示。图中d 点移动到e 点时，其投影点 b 移动c 点，研究动梁对应水平位移的关系可得 ab co 图2 2 动梁水平位移关系图 f i g 2 2h o r i z e n t a ld i s p l a c e m e n td i a g r a mo f t h em o v i n gb e a m 9 重庆大学硕士学位论文 21 6 5 m n 锻压机机架侧推力及变形研究 w( 口，一口? 6 ) r w ，( 口f 一口；6 ) 尺， ( 2 3 ) 动梁与立柱对应点的水平位移近似相等，故可根据上述关系确定立柱对应点 1 、2 、3 、4 的水平位移关系。 由于该机架为全预应力结构，故将上、下横梁及立柱等当作一体考虑，转化 为超静定结构。为了简化计算，获得一定工况下机架的受力与变形，将上述受力 框架分解为四个单元受力框架，如图2 3 所示。图2 3 ( a ) 为中心载荷框架( 由于该 锻压机工作油缸直径较大，为准确计算，不能简化为一个集中力作用，而将其简 化为两个对称作用力( 如p 1 、p 2 ) ，根据油缸支撑法兰传递均布载荷等效得到两个 对称作用力之间的距离) ，图z 3 0 ) ) 为作用于上横梁的弯矩载荷框架，图2 3 ( c ) 为 作用于上横梁的侧推力载荷框架，图2 3 ( d ) 为作用于立柱的侧推力载荷框架。分 别计算上述四个单元框架下立柱1 、2 、3 、4 点的水平位移量，然后进行线性叠 加，得到上述四点的总水平位移量。 ( a ) -。 r 一 ( b )( c )( d ) 图2 3 单元受力框架 f i g 2 3f r a m eo fu n i ts t r e s s 下面分别求解上述四个单元受力框架的作用下机架立柱上的1 、2 、3 、4 点 沿机架水平方向的位移量。然后进行线性叠加，得到所有载荷作用下上述四点的 水平方向位移量。 ( 1 ) 中心载荷下的单元受力框架 在中心载荷作用下( 如图2 4 ( a ) 所示) ，对于此超静定框架，其多余自由度为2 ， 故在3 、4 及5 点引入未知力矩x l 和x 2 。 采用结构力学的力法计算x 1 及x 2 的值。 匹。+ 五匹l + j c 2 点2 = 0( 2 4 ) 疋。+ 五盈l + z 2 夔2 = 0( 2 5 ) 1 0 重庆大学硕士学位论文21 6 5 m n 锻压机机架侧推力及变形研究 不 外力及内力矩x l 及x 2 对于静定基上的弯矩图如图2 4 ( b ) 、2 4 ( c ) 、2 4 ( d ) j 目f i 、 ， w 厂t _ r t u 可 n 2 ，zp ! ，| p 2p 2 0 ，1 l 鱼 i 鱼j 3 i ，3 。- 一 、j ii iii l x i 3 z t ? x2 蚕1 ，量 善鱼 圣兰 j 星 量量 霍喜 ；霎皿圈孽； 。 一五、 囤i 衄唾 蕈r 7 善 星雪 量 目， 童i 丘_ 一哇 ( b ) 罾= 灌 晕季、蓦垂 啻j 矗+ 彤d + j ) 熏 点_ t _ _ t r 计- 盘 t c ) ( d ) 图2 4 中心载荷框架及弯矩图 f i g 2 4f r a m e w i t hc e n t e rl o a d i n ga n d b e n d i n gm o m e n td i a g r a m 很琚结构刀竽嗣力法口j 得，上述正则方程的六个正则系数分别为 耻茜( 争等) 耻耻兰 8 2 2 刖hj 2 - + 百2 k 2 l ) 8 。p 刖h ) 2 + 警) 岛p = 面h j 2 + 警) 式中： f 厂 k = 熹，为立柱与上横梁的刚度比； 。 = 瓦e i ，为立柱与上横梁的刚度比； 重庆大学硕士学位论文 216 5 m n 锻压机机架侧推力及变形研究 i 、 i s 、i ) 【一上、下横梁的等效截面惯性矩。 联立方程( 2 4 ) 及( 2 5 ) 求解正则方程得到x l 及x 2 。在立柱上的1 、 处分别施加单位力，按照力法可求出上述四点的位移。 - 啊 ( 墨口l + 置( 口2 + a 3 ) + 五) ( h + ) + x 2 ( n + h ：) 】 w l ：一w 3 ：2 瓦面_ 一 2 、3 、4 点 ( 2 6 ) w 2 z = - w 4 z = 型盟燮也患攀业巡剑 ( 2 7 ) 采用上述方法计算机架的立柱上1 、2 、3 、4 点沿水平方向的位移量时，其 基本条件为立柱与活动横梁的导向间隙较大，立柱的水平方向变形不受动梁导向 间隙的约束限制。若动梁与立柱的导向间隙较小而使立柱的水平变形受动梁限 制，由于动梁的刚度远大于立柱刚度而基本发生不变形，故取立柱上述点的水平 方向位移量为导向间隙量w ，即 w l z2 一心z2 一w ( 2 8 1 w 2 ：2 一w 4 ：2 一w ( 2 9 1 ( 2 ) 上横梁作用有弯矩的单元受力框架 跟据分析，上横梁作用有弯矩的单元受力框架为一次超静定结构。若将上横 梁沿其对称轴线切开，在剖分面上只能产生反对称剪力x 3 ，静定基上的弯矩图如 图2 5 所示。 该结构下的正则方程为 式中： 图2 5 弯矩图 f i g 2 5b e n d i n gm o m e n td i a g r a m 蠡p + 毛岛3 = 0 f 2 1 0 ) 重庆大学硕士学位论文 21 6 5 m n 锻压机机架侧推力及变形研究 嗔p = 一 m l ( 2 h + k 三+ 三) 岛3 = h l ( 3 h 丽+ k 广1 l + k 2 l ) 坷1 、2 、3 、4 点处施加早位力，米用结构力学力法求出上述四点对应的挠 度分别为 ，= 鑫( 慨+ 疋埘一2 恐以一；k ) ( 2 1 1 ) w 2 ，= 刍( 慨+ k 脚一2 为馄一导k 毛一 ( 2 1 2 ) w 3 ，一鑫( 慨+ 如脚一2 而魄一号憋妒) ( 2 1 3 ) w 4 。= 一刍( 慨+ k m 一2 恐馄一导k 恐昀 ( 2 1 4 ) ( 3 ) 上横梁作用有侧推力的单元受力框架 上横梁作用有弯矩的单元受力框架为一次超静定结构。将上横梁沿对称轴线 切开，在剖分面上只能产生反对称建立x ，静定基匕的弯矩图如图26 所示 该结构下的正则方程为 其中： 名p = 图2 6 弯矩图 f i g 2 6b e n d i n gm o m e n td i a g r a m 岛p + 恐岛3 = 0 3 3 = h l ( 3 h + 面k f l l 一+ k z l ) ( 2 1 5 ) 则反对称剪力可求，对1 、2 、3 、4 点处施加水平的单位作用力，采用力法 重庆大学硕士学位论文21 6 5 m n 锻压机机架侧推力及变形研究 求出四点对应挠度分别为 啊( 詈现+ 7 i l 硝3 + k 觑一2 恐。崛一；k 而。，2 ) w 一2w 3 2 l 1 百一( 2 1 6 ) ( 詈爿鸦+ 坞硅3 + 删一2 屯。他一詈k 屯。，2 ) w 2 n2w 4 一。l 五厂工一( 2 1 7 ) ( 4 ) 3 _ f f _ 柱承受侧推力的单元受力框架 在偏载工况下，若机架的立柱上1 、2 、3 、4 点均受侧推力，其大小和方向 未知，假设其受力如图2 7 所示。将上横梁眼框架对称轴线切开，剖面上作用反 对称剪力x 3 ，此时，机架静定基如图2 8 所示。外载荷及x 3 在静定基上的弯矩 图如图2 9 所示。 图2 7 计算简图 f i g 2 7c a l c u l a t i n gd i a g r a m 图2 8 等效受力图 f i g 2 8e q m c a l e n tl o a d i n gd i a g r a m ( b ) 图2 9 弯矩图 f i g 2 9b e n d i n gm o m e n td i a g r a m 采用相同的方法，得未知内力为 1 4 重庆大学硕士学位论文 21 6 5 m n 锻压机机架侧推力及变形研究 恐= 鼍磊l _ 3 t 2 矿h ；( 1 + k 2 ) 亿 恐2 了了一 u l 芍， 脚( 3 + 墨寺+ 如寺) 在立柱上1 、2 、3 、4 点分别对应施加水平向左的单位作用力，计算得到上 述四点沿水平方向的位移量为 ” 去乎+ 丝6 一丝2 + 学一丁k 2 t 2 h a h 2 l 一下x 3 h a 2 l 一半) ( 2 1 9 ) = 击c 华睾孚+ 掣一半盟4 毕冲加， 将上述四个单元受力框架下单独求解得到的1 、2 、3 、4 点沿水平方向的位移量 进行线性叠加，即得到所有载荷作用下机架的立柱上对应四点沿水平方向的位 移量，即 w = z ( 丁，五，互) = 屹+ k + w i + w r ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) ( 2 2 1 ) 将式( 2 2 1 ) 代入式( 2 3 ) 中，建立立柱上对应1 、2 点的水平位移关系，即 石( 互，正，t ) 一c l 正( 五，正，t ) = 0( 2 2 2 ) 联立方程( 2 1 ) 、( 2 2 ) ( 2 2 2 ) i i p 可求解锻压机机架侧推力t 、t 1 及t 2 。 2 216 5 m n 锻压机机架侧推力及偏斜量的计算 假设1 6 5 m n 锻压机机架立柱与动梁的导向间隙均匀，所有导向面的导向间 隙均取为0 5 m m 。计算1 6 5 m n 锻压机机架沿其横向的侧推力时，根据上一节介 绍的侧推力计算方法，先计算出立柱沿机架横向和纵向的截面惯性矩，并将其及 上、下横梁的等效截面惯性矩代入上述公式，计算出该型锻压机机架在动梁处于 一定的高度位置进行偏心锻造时的侧推力大小。 2 2 11 6 5 m n 锻压机上下横梁等效惯性矩的计算 当采用上述方法研究机架侧推力时，须得知机架的立柱截面惯性矩及上、下 横梁的等效截面惯性矩。立柱形状规则，通过简单的计算可得其截面惯性矩。而 1 6 5 m n 锻压机上、下横梁为筋板式结构，其内部形状复杂且不规则，故直接计 算上、下横梁的截面惯性矩难度较大，需采用等效的方法计算上、下横梁的等效 截面惯性矩。 由于上、下横梁抗弯刚度远大于立柱的抗弯刚度，在等效计算时，可将上、 下横梁看作变截面简支梁。假定该变截面梁由三段等截面惯性矩的梁依次连接而 成，各段均匀梁的截面惯性矩分别为1 1 、1 2 ，长度分别为l 1 、l 2 。将该变截面 梁等效为均匀截面的简支梁，则该等效方法的前提是梁端等效前后的转角相同。 重庆大学硕士学位论文 216 5 m n 锻压机机架侧推力及变形研究 现分别计算上、下横梁沿机架横向和纵向的等效截面惯性矩。 上横梁沿机架横向的等效惯性矩 由于上横梁结构对称，故仅研究上横梁的半模型( 如图2 1 0 所示) 。图中，p 1 、 p 2 分别为上横梁的中间油缸和两侧工作油缸所受等效作用力的一半。对于图示 的结构，梁端部c 点的绝对转角量等于内侧段b 点绝对转角量与c 点绕b 点转 动的相对转角量的线性叠加【删，即 图2 1 0 上横梁模型 f i g 2 1 0m o d e lo f t h eu p p e rb e a m y o c 2 z 刖1 - - l - ，- ( p l a 2 + 墨譬+ 最葺一蹈+ 2 p 2 ( b 一厶) 厶+ 2 p 2 ( c 一厶) 厶一2 p z j 。2 ) ( 2 2 3 ) + 2 - 毒一厶)2+昱(c一厶)2一尸骂)z(p2(b 若为等截面梁，当该梁截面惯性矩为i 时，在相同载荷的作用下，梁端c 点的绝 对转角量为 铭= 2 - 去( g c 2 怖2 坪2 一争 ( 2 2 4 ) 两种模型下，梁端c 点的绝对转角量相等，故上横梁沿机架横向的等效惯 性矩的计算公式为： ，= 去( 哪2 坤2 一乌4 y o c ( 2 2 5 ) 根据测量已有1 6 5 m n 的上横梁三维模型及锻压机的相关参数得知： a = 7 0 3 3 m m ，b = 1 7 9 6 7 m m ，c = 3 2 0 3 3