（机械制造及其自动化专业论文）铜自动包装线下顶式压力机力学性能研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本文对铜自动包装生产线致密工位的下顶式压力机出现的稳定性问题进行了 分析和研究，并根据出现偏斜载荷的现象，建立了该压力机的机身力学模型，利 用大型有限元分析软件a n s y s 为研究工具，对机身进行了静态、模态和动态响应 分析，并根据分析结果对机身立柱进行了优化设计和研究，以达到在运动过程中 减少振动和冲击，增强运动的稳定性，延长使用寿命。 首先，分析了该下顶式压力机机身的结构特点和受力情况，引入a n s y s 软 件建立了机身的有限元模型，通过静力学分析，确定了偏斜载荷作用下该压力 机立柱的最大变形和应力分布情况，并对立柱的静刚度进行了校核。 其次，根据建立的机身有限元模型，对压力机机身进行了模态分析，采用 兰索斯法提取了前1 0 阶固有频率及振型图，确定了结构的振动特性，也为其它 动力学分析奠定了基础。 再次，在模态分析的基础上，对该压力机机身进行了动态响应分析。通过谐 响应分析确定了该结构在承受按正弦规律变化的载荷时的稳态响应，得出了不同 方向激励力作用下的谐响应曲线，为以后设计提供了依据。通过瞬态动力学分析， 得出了该结构的位移、速度、加速度在冲击载荷作用下随时间变化的响应曲线， 为该压力机工作状态参数的调整提供了参考。 最后，运用a n s y s 参数设计语言a p d l 进行建模，采用一阶法以压力机立柱 半径为设计变量进行优化，从结果判断出符合使用范围的最优解，为该压力机 的设计提供了一定的理论依据。 关键词：下顶式压力机；有限元；静态分析；模态分析；谐响应分析；瞬态分析； 优化设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h es t a b i l i t yi s s u e so ft h eb o t t o mu p w a r dp r e s sm a c h i n ew h i c hi s b e l o n gt ot h ec o p p e ra u t o m a t i cp a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e sd e n s es t a t i o ni sa n a l y z e d a n dr e s e a r c h e d t h em o d e lo ft h i s p r e s s m a c h i n ei sc r e a t e da c c o r d i n gt ot h e p h e n o m e n o no fs k e wl o a d b yu s i n gt h ef i n i t e c l e m e n ts o f t w a r e - a n s y s ，t h es t a t i c ， m o d a la n dd y n a m i cr e s p o n s eo ft h eb o d yi sa n a l y z e db a s e do nt h i sm o d e l i no r d e rt o c u td o w nt h ev i b r a t i o na n di m p a c ta n dt oe n h a n c et h es t a b i l i t yi nt h ep r o c e s so f m o v i n g ，a sw e l la st oe x t e n dt h es e r v i c el i f e ，t h ep o s t so fb o d ya r eo p t i m i z e da n d r e s e a r c h e di nl i g h to ft h ea n a l y t i cr e s u l t s f i r s t l y ，t h em e c h a n i c a lf e a t u r ea n dw o r k i n gc o n d i t i o n s o ft h eb o t t o mu p w a r d p r e s sm a c h i n ei ss t u d i e d ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o ft h eb o d yi sc r e a t e db yu s eo f a n s y s f r o ms t a t i ca n a l y s i s ，t h em a x i m u md e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o na r e d e f i n e du n d e rt h ea c t i o no fs k e wl o a d ，a n dt h es t a t i cr i g i d i t yo ft h ep o s t si sc h e c k e da s w e l l s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h i sb o d y ，t h em o d a la n a l y s i s o fi ti sd o n e t h ef i r s t1 0n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e sa r el i s tt od e t e r m i n e t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r eb yt h em e t h o do fl a n c z o s ，a n dt ol a i d t h ef o u n d a t i o nf o ro t h e rd y n a m i ca n a l y s i s t h i r d l y ，o nt h eb a s i so fm o d a la n a l y s i s ，d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so ft h eb o d y i sm a d e a c c o r d i n gt ot h eh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，t h es t e a d yr e s p o n s eo ft h e s t r u c t u r ei sd e t e r m i n e db ya p p l y i n gt h el o a dw h i c hi sc h a n g e d u n d e rt h el a w so fs i n e a n dt h eh a r m o n i cr e s p o n s ec u r v e sw e r eo b t a i n e du n d e rt h ee x c i t i n gf o r c e s f r o m d i f f e r e n td i r e c t i o n a l lo ft h e s ep r o v i d et h et h e o r yb a s i sf o rt h ef u t u r ed e s i g n b yt h e t r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i so ft h es t r u c t u r e ，t h ed i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o nr e s p o n s ec u r v e sw i t ht i m eu n d e rt h ei m p u l s i v el o a da r eg o t t e n ，w h i c h p r o v i d et h et h e o r yb a s i sf o ra d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ew o r kc o n d i t i o nf o rt h e p r e s s f i n a l l y ，t h ep a r a m e t e r i z a t i o nm o d e lo f t h ep r e s si sb u i l db yu s i n ga n s y s p a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g ea p d l r e g a r d i n g t h ep o s t r a d i u so fp r e s sa st h ed e s i g n v a r i a b l e st oo p t i m i z eb yf i r s t o r d e rm e t h o d ，t h eo p t i m a ls o l u t i o n sa c c o r d i n g w i t ht h e r a n g eo fa p p l i c a t i o na r eo b t a i n e df r o mt h eo p t i m a lr e s u l t s t h eo p t i m a ls o l u t i o n s p r o v i d eac e r t a i nt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no ft h ep r e s s 硕士学位论文 k e y w o r d s ：b o t t o mu p w a r dp r e s sm a c h i n e ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d a l a n a l y s i s ；h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ；t r a n s i e n ta n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n h i 铜自动包装线下顶式压力机力学性能研究 插图索引 图1 1 铜自动包装生产线外形图5 图1 2 下顶式压力机外形图一5 图2 1 下顶式压力机示意图7 图2 2 阴极铜板示意图9 图2 3 下顶式压力机负载结构图1 1 图2 4 下顶式压力机力学模型图1 1 图2 5 上压式压力机负载结构图1 2 图2 6 上压式压力机力学模型图。1 3 图3 1 下顶式压力机划分网格后模型图2 1 图3 2 下顶式压力机边界条件的施加2 2 图3 3 压力机上横梁受力图2 3 图3 4 下顶式压力机等效位移图2 4 图3 5 下顶式压力机x 方向位移图。2 4 图3 6 下顶式压力机x 方向应力图2 5 图3 7 下顶式压力机等效应力图2 5 图3 8 上压式压力机划分网格后模型图2 7 图3 9 上压式压力机边界条件的施加2 7 图3 1 0 上压式压力机等效位移图。2 8 图3 1 1 上压式压力机x 方向位移图2 8 图3 1 2 上压式压力机x 方向应力图2 9 图3 1 3 上压式压力机等效应力图2 9 图4 1 第一阶振型图3 5 图4 2 第二阶振型图一3 5 图4 3 第三阶振型图。3 6 图4 4 第四阶振型图3 6 图4 5 第五阶振型图3 7 图4 6 第六阶振型图3 7 图4 7 第七阶振型图3 8 图4 8 第八阶振型图3 8 图4 9 第九阶振型图3 9 图4 1 0 第十阶振型图3 9 图5 1x 方向激振力的谐响应曲线4 3 硕士学位论文 图5 2y 方向激振力的谐响应曲线4 4 图5 3z 方向激振力的谐响应曲线。4 5 图5 4 压力机加载过程4 6 图5 5 位移随时间变化曲线图4 6 图5 6 速度随时间变化曲线图4 7 图5 7 加速度随时间变化曲线图4 7 图6 1 优化数据流向图。5 0 图6 2 下顶式压力机参数化模型5 5 图6 3 设计变量的迭代变化曲线5 7 图6 4 状态变量的迭代变化曲线5 7 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：蔺文州 日期：p 7 ；年岁月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：茼曼闪j 导师签名：做 日期：少j 年 日期：2 , , o ro 年 5 只讲e t j 一月二彦e t 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 锻压机械的概述 1 1 1 锻压机械的作用及特点 锻压机械是指在锻压加工过程中用于成型和分离的机械设备，是国民生产各 部门提高劳动生产率、生产过程机械化不可缺少的大型机械设备之一，对于提高 工程机械各生产部门的机械化，缩短生产周期和降低生产成本，起着非常重要的 作用。高速度、高精度、自动化是现代锻压机床最重要的发展趋势，高速压力机 由于具备自动、高速、精密三个基本要素，得到了越来越广泛的应用。 锻压机械是机械工业中的基本工作母机之一，在工业生产中具有极其重要的 地位。随着我国国民经济的高速增长和市场的迅速发展，汽车及其配件、家用电 器、石油化工、电力设备、仪器仪表、机械制造、计算机、冶金、建筑等行业在 发展过程中都大量需求各种锻压机械。采用锻压工艺生产的工件具有效率高、质 量好、重量较轻和成本低廉等特点。目前，在先进工业国家锻压设备所占的比重 均在全部机床拥有量的3 0 以上，一个工业发达国家锻压设备的水平、拥有量和 构成比不仅对锻压生产起着关键作用，而且在一定程度上还标志着一个国家机械 制造工业的技术水平。 锻压机械是通过对金属施加压力使之成型的，多为重型设备，设备上多设有 安全防护装置，以保障设备和人身安全。其基本特点是工作负荷大，易发生突发性 事故、锻压设备运动面的磨损较小、利用率低、分布较分散、设备运动部件的运 动多数仅有一个坐标方向，准确的定量要求少。 1 1 2 锻压机械的发展阶段 开始人们为了制造工具，最初是用人力、畜力转动轮子来举起重锤锻打工件 的，这是最古老的锻压机械。1 4 世纪出现了水力落锤，1 5 1 6 世纪航海业蓬勃发 展，为了锻造铁锚等，出现了水力驱动的杠杆锤，1 8 4 2 年，英国工程师史密斯创制 第一台蒸汽锤，开始了蒸汽动力锻压机械的时代，1 7 9 5 年，英国的布拉默发明水压 机，但直到1 9 世纪中叶，由于大锻件的需要才应用于锻造。随着电动机的发明， 1 9 世纪末出现了以电为动力的机械压力机和空气锤，并获得迅速发展。2 0 世纪6 0 年代以后，锻压机械改变了从1 9 世纪开始的向重型和大型方向发展的趋势，转而 向高速、高效、自动、精密、专用、多品种生产等方向发展。于是出现了每分种 行程2 0 0 0 次的高速压力机、能冷镦直径为4 8 毫米钢材的多工位自动冷镦机和多 种自动机，自动生产线等。各种机械控制的、数字控制的和计算机控制的自动锻 压机械以及与之配套的操作机、机械手和工业机器人也相继研制成功。现代化的 铜自动包装线下项式压力机力学性能研究 锻压机械可生产精确制品，有良好的劳动条件，环境污染很小。按其发展过程可 分为以下几阶段【l j ： 1 锻锤：由重锤落下或强迫高速运动产生的动能对坯料做功，使之塑性变形的 机械。锻锤是最常见、历史最悠久的锻压机械。它结构简单、工作灵活、使用面 广、易予维修，适用于自由锻和模锻。但震动较大，较难实现自动化生产。 2 机械压力机：用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、螺杆机构传动，工作平稳、 工作精度高、操作条件好、生产率高，易于实现机械化、自动化，适于在自动线 工作。机械压力机在数量上居各类锻压机械之首。 3 冷镦机等各种线材成形自动机、平锻机、螺旋压力机、径向锻造机、大多数 弯曲机、矫正机和剪切机等：具有与机械压力机相似的传动机构，可以说是机械 压力机的派生系列。 4 液压机：以高压液体( 油、乳化液等) 传送工作压力的锻压机械。液压机的行 程是可变的，能够在任意位置发出最大的工作力。液压机工作平稳，没有震动， 容易达到较大的锻造深度，最适合于大锻件的锻造和大规格板料的拉深、打包和 压块等工作。液压机主要包括水压机和油压机。某些弯曲、矫正、剪切机械也属 于液压机一类。 5 旋转锻压机：是锻造与轧制相结合的锻压机械，在旋转锻压机上，变形过程 是由局部变形逐渐扩展而完成的，所以变形抗力小、机器质量小、工作平稳、无 震动，易实现自动化生产。辊锻机、成形轧制机、卷板机、多辊矫直机、辗扩机、 旋压机等都属于旋转锻压机。 1 2 压力机的概况及发展趋势 压力机是一种通用性设备，主要用于可塑性材料的压制工艺，也可从事于校 正、压装、砂轮成型、冷挤金属零件成型、陶瓷制品、塑料制品及粉末制品的压 制成型工艺以及各种机械、汽车装配线上零部件的压装等工作。 1 2 1 国外压力机的概况及发展趋势 国外压力机早在2 0 纪7 0 年代就有了很大的发展，7 0 年代末，德国、意大利、 美国以及日本等一些发达国家的公司不断推出自动液压压力机【2 1 。自动液压压力机 的特点是自动化程度高、压力大、调节方便、适应性比较广泛在8 0 年代初的时 候，自动液压压力机的压力一般不超过6 0 0 吨，到八十年代中期的时候已经发展 到了1 0 0 0 吨，意大利西替( c i t i ) 公司已经研制出了带有磁力控制装置的2 5 0 0 吨压力机。由于微电子技术的高速发展，自动化液压压力机普遍采用微型计算机 控制。如意大利纳塞蒂( n a s s e t r t ) 公司制造的8 0 0 吨和1 4 0 0 吨压力机，控制器 可以存入压力机的所有工作程序，通过键盘可以输入指令修改各个时间继电器的 2 硕士学位论文 延时时间以及保压时间，以达到修改压制过程的目的。显示器可以显示出压力机 的压制次数、每次的压制压力、坯体厚度、油漏、循环周期等十多个参数。另外 还具有故障显示的功能，这样为迅速查明和排除故障带来了方便。不少自动液压 压力机增设了坯体厚度自动检测和调核装置，实现了装料深度的自动调节。 目前压力机总的特点是压制力大，主机结构刚度大，压力、速度、时间均可 调，具有参数数字显示、过程控制、故障跟踪显示、程序存储等完善的控制功能， 自动化程度高、生产效率高。 近几年来，国外一些公司对压力机的液压系统作了大量改进工作，其发展趋 势是使液压系统结构简单、紧凑，调节方便，节省能耗，提高系统的稳定性和可 靠性。主要变化如下： 1 液压系统的动力源由原来的定量泵改为变量泵。压力机在不同的工作阶段， 由于负载的变化，需要的流量是不同的，因此采用变量泵，能根据系统的需要， 自动调节泵的流量，从而可提高工作效率，节省能耗，减少系统的发热。目前压 力机采用的变量泵有轴向柱塞恒压变量泵、。径向柱塞恒压变量泵、轴向柱塞恒功 率变量泵。 2 采用电液比例控制技术。过去压力机压头速度的控制是在其液压系统中采用 普通的换向阀和节流阀组成的节流调速回路，通过手动调整节流阀节流口的大小， 达到改变其速度的目的，而系统的压力的控制是在其油路中采用溢流阀来控制， 这样控制方式，调节起来很不方便，且具体的速度值不好把握。新一代的压力机， 速度和压力控制分别采用比例调速阀和比例压力阀。比例调速阀是根据输入电压 或电流强度的大小来改变流量的液压阀，比例压力阀是根据输入电压或电流强度 的大小来自动改变溢流阀压力的大小，这些改变能适应现代控制发展的需要。 1 2 2 国内压力机的概况及发展趋势 长期以来我国压力机的设计和制造水平比较低，存在着其压力、位置等参数 的控制基本上还是手动或模拟量的调整，自动化水平低，压机间及压机与上位机 间无法进行通讯，液压回路控制简单，床身结构为经验设计等缺点。同国际先进 水平相比，还存在不少差距，主要表现在主机可靠性和自动化程度有待于进一步 提高，在国际市场上缺乏竞争力；先进的工艺和装备所占比例小，产品品种和规 格较为单一，产品性能差距比较大，生产规模小，监测和试验手段落后，缺乏自 己的数控系统；很多技术从国外引进，技术创新能力有待进一步增加。 我国传统的锻造设备多以空( 蒸) 气锤为主，至今仍被一些偏远地区和乡镇 个体小企业所延用，随着全球性的能源短缺危机和已颁布环保法规的日趋完善， 空( 蒸) 气锤所固有的耗能高、振动噪声大、砧座笨重、混凝土基础投资庞大等 无法克服的弊端，已将其列入限制生产、直至最终淘汰的锻压设备。与此同时近 3 铜自动包装线下顶式压力机力学性能研究 十余年以来，功能各异的锻压液压机作为主导锻压设备得到了突飞猛进的发展， 特别是与机械压力机和空( 蒸) 气锤相比，锻压液压机所具有的可在有效行程内 任意位置随时输出最大冲压力；输出冲压力、速度和行程等各自独立的主参数均 可在设计范围内实现无级调节；以及配套液压动力系统的传动平稳可靠等优势， 从而广泛适用于不同材料的体积成形、薄板成形及冲裁的要求。 我国在消化、推广国外先进液压技术的同时，大力开展国产液压新产品的研 制工作，并已取得一定成效，尤其是九五期间，国内企业已经在5 0 0 0 吨级以下的 各种系列压力机市场逐步地取代了进口三分之一设备的现状。值得注意的是：9 0 年代国内锻压行业紧随国际先进技术，在液压类锻压设备的机身结构设计、相关 液压电气集成化控制和机械制造新技术各领域发展迅捷。 尽管如此，我国的液压元件和液压产品与国外先进的同类产品相比，在性能 上、种类上、规格上仍然存在较大的差距。为了迅速赶超世界先进水平，我国目 前已经有计划地引进、消化和吸收国外最先进的液压技术和产品，并2 1 世纪，我 国的液压技术必将取得更快更好的发展。在我国，未来的压力机发展趋势及研究 方向是： 1 使产品日益向高速、精密、轻量化、大尺度和自动化方向发展。 2 具有参数数字显示、过程控制、故障跟踪显示、程序存储等控制功能。 3 自动化程度高，生产效率高，系统的稳定性和可靠性好等。 1 3 课题的来源及意义 1 3 1 课题的来源 本课题来源于由兰州理工大学和金川集团有限公司联合开发、设计和研制出 的我国第一条阴极铜自动包装生产线致密工位的y 3 3 3 1 5 型下顶式液压机。对该 压力机的机身进行理论分析，进而为该型号压力机的设计和改进提供一定的理论 依据。 1 3 2 课题的意义 从长期的发展形势看，我国铜生产工业已经具备了一定的基础和规模，但是 仍然存在着一些结构性问题，即产业链两端过于薄弱：一是铜矿资源短缺且品质 较低，导致原料供应对外依存度很大；二是粗加工产品过多，产品的附加值低， 资源利用效率不高。因此，在未来的发展中，我国铜生产工业必须将重点放在增 长方式的转变上，坚持利用国内国外两种资源，发挥劳动力禀赋优势，引入国外 先进的技术装备，大力发展铜加工业务，从而提高生产效率，增强行业可持续发 展能力。 针对金川集团有限公司目前阴极铜人工包装作业中出现的工人劳动强度大、 4 硕士学位论文 劳动力需求多、生产环境差、包装质量低以及生产效率低下等技术及装备问题， 由兰州理工大学和金川集团有限公司联合开发，设计和研制出了我国第一条阴极 铜自动包装生产线。如图1 1 所示。本项目的实施，不仅能实现阴极铜包装作业的 机械化、自动化，从而提高阴极铜包装作业的生产效率、降低作业人员的劳动强 度、提升阴极铜加工技术装备的整体水平。同时，能更好地符合金川集团有限公 司阴极铜包装规范、进一步满足期货市场关于阴极铜期货交易包装标准，从而提 高金川公司阴极铜在国际市场上的竞争力。 图1 1 铜自动包装生产线外形固 目前，铜自动包装生产线已经在金川集团有限公司安装完毕并进入生产阶段， 但在该生产线致密工位由于生产需要而采用的下顶式压力机在负载运行的过程 中，因偏斜载荷的作用，该压力机立柱出现了摆动的现象，其外形如图12 所示， 因此本课题旨在用现代化的设计方法对其在运行的过程中出现的稳定性问题进行 准确分析，晟终对压力机立柱参数进行优化设计，这对该生产线咀及压力机的改 进和完善具有重要的现实意义。 圈1 2 下顶式压力机外形图 铜自动包装线下顶式压力机力学性能研究 1 4 本文的主要工作 本论文主要针对阴极铜自动包装生产线下顶式压力机立柱长度一定的情况 下，运用a n s y s 软件对压力机机身进行建模及静力学、动力学分析，通过对等效 应力与刚度的分析，着重对立柱截面尺寸进行优化设计，在满足强度、刚度的条 件下，得到立柱的最佳参数，并与上压式压力机作比较，从而使压力机在运行过 程中更加平稳，因此需解决的关键问题在于： 1 对所研究的下顶式压力机进行结构简化，建立压力机数学模型；利用大型有 限元软件a n s y s 为工具，建立压力机的有限元模型。 2 对下顶式压力机进行静力学分析、模态分析、谐响应分析、瞬态分析。利用 分析结果对压力机立柱进行静态强度和刚度以及动态刚性的校核，并为动态设计 提供了参考。 3 利用a n s y s 的高级应用技术，对压力机进行参数化建模，以立柱半径为目 标函数，对主梁的截面尺寸进行优化设计，并得出截面尺寸的最优解。 6 硕士学位论文 第2 章压力机及负载的有关参数 2 1 下顶式压力机的概况 2 1 1 下顶式压力机的用途和特点 本机器适用于可塑性材料的压制工艺，也可从事于校正、压装、砂轮成型、 冷挤金属零件成型、塑料制品及粉末制品的压制成型工艺。 本机器具有独立的动力机构和电器系统，并采用先进的p l c 控制技术，工业触 摸屏按钮集中控制，可实现电动调整、手动和半自动三种操作方式。 本机器的工作压力、压制速度、行程范围均可根据工艺需要进行调整，并能 完成定压及定程成型两种工艺方式。定压成型工艺方式在压制后具有保压、延时 和自动回程动作。 2 1 2 下顶式压力机的结构概述 本机器由主机和控制机构两大部分组成，通过管路及电气系统装置联系起来 构成完整的一体。主机部分由机身和主缸两部分组成。在铜包装生产线中由于生 产需要采用的下顶式压力机，其液压缸与下工作台相联结，工作中液压缸活塞杆 推动滑块自下而上运动，由滑块和上横梁压紧工件，受力面处于自由端的上横梁。 控制机构包括动力机构、充液装置、限程装置、管路、电器控制等几部分组成， 如图2 1 所示： 图2 1 下顶式压力机示意图 7 铜自动包装线下顶式压力机力学性能研究 其各部分结构和作用如下： 机身：机身是机床的重要组成部分，它不仅是压力机主要零件的装配基体， 而且还要承受机器的全部工作载荷，机身承载能力和变形大小及其动态性能将直 接影响产品的精度及模具的使用寿命。压力机采用的机身结构形式主要有开式和 闭式两大类。开式机身有较大喉深，可冲压较大零件，但刚度较低；闭式机身由 于是封闭框架，所以刚度高。闭式压力机机身又分为整体式、组合式【3 1 。本机为由 上横梁、滑块、下工作台、立柱、锁紧螺母及调节螺母等组成的组合式压力机， 机身固定于机座上面，依靠四个立柱为骨架，上横梁及下工作台由锁紧螺母固定 于两端。机器精度靠调节螺母及紧固于上横梁上端的锁紧螺母来调节。滑块与主 缸活塞联接，依靠四个立柱作导向上下运行，内装有导向套。滑块及上横梁工作 表面均有t 形槽，以便安装模具。 主缸：主缸缸体靠缸口台肩及大锁母紧固于下工作台内，活塞上端面与滑块 相联结，活塞头部材料为铸铁，作导向用。 动力机构：动力机构由油箱、高压泵、电机、插装阀等组成。它是产生和分 配工作液压而使主机实现各种动作的机构，油箱为钢板焊接件，内装有滤油板、 前端的长形油标为观察油位用。 液压系统：液压系统由能源转换装置( 泵和油缸) 、能源调节装置( 各种阀) 以及能源输送装置( 油箱和管路) 等组成，借用电气系统的控制，驱动下工作台 运动，完成各种工艺动作循环。 电气系统：本机器电气系统的任务是按照液压系统动作做程序，用以驱动电 动机，选择工作方式，在发讯元件的指令下使有关电磁铁动作以完成指定的工艺 动作循环。根据压制工艺的要求，控制系统设计成“调整 和“工作 两种工作 方式。其中“工作 方式除了可实现手动动作外，还可以实现带自动回程的半自 动动作，并根据成型方式的不同，可分别选用“定压 和“定程两种成型工艺。 2 1 3 下顶式压力机的相关参数 本文所研究的对象是下顶式压力机的机身结构，因此对许多参数进行了简化 和省略，以便在有限元分析时得出更加准确的结构。该压力机主要的技术规格如 表2 1 所示： 8 硕士学位论文 表2 1 下定式压力机主要参数 序号项目规格单位 1公称力3 1 5 0 k n 2 回程力 6 3 0k n 3 液体最高工作压力 2 5m p a 4 立柱直径 1 4 4m m 5 活动横梁最大行程 4 0 0m m 活动快速上升 7 0 m m s 6 横梁工作 4 1 0 m m s 速度 回程 6 0 m m s 7 工作台有效前后 1 4 0 0m m 尺寸左右1 4 0 0m m 8 立柱距离前后 1 1 5 0m m 左右 1 6 5 0m m 9 主缸内径 4 0 0m m 1 0 工作台距地面高度 7 0 5m m 2 2 下顶式压力机的负载特性 2 2 1 负载的结构 金川公司阴极铜自动包装生产线致密工位的下顶式压力机所压紧的每垛铜板 由1 7 1 9 片组成，每片铜板的大小为1 0 0 0 x 1 0 0 0 m m ，由于冶炼工艺的需要而在铜板 一侧加工了吊耳，使得每垛铜板两端的高度不一致，其中高的一边用a 表示，低的 一边用b 表示，偏斜角度用口表示，其外形如下图所示： 图2 2 阴极铜板示意图 2 2 2 负载的基本参数 由于该压力机所压紧的每垛铜板两边高度不一致而出现偏斜载荷【4 1 ，所以在压 9 铜自动包装线下顶式压力机力学性能研究 紧铜板的过程中压力机立柱发生了摆动的现象。表2 2 是在金川集团公司阴极铜包 装车间的生产现场测出的1 0 垛铜板的实际数据以及压力机工作压力在1 8 m p a 时所 对应的立柱最大摆动值x 。 表2 2 生产现场测出的实验数据 濑 abxa 1 3 8 53 7 52o 5 7 。 24 0 03 2 044 5 7 0 33 9 03 8 03 o 5 7 。 44 0 03 4 543 1 5 0 54 1 53 7 032 5 8 0 6 3 8 03 6 021 1 5 。 74 1 03 4 533 7 2 。 8 3 7 53 3 5 4 2 2 9 0 94 0 03 2 544 2 9 0 1 04 1 03 6 53 2 5 8 。 平均值 3 9 73 5 2 3 22 5 1 。 2 3 下顶式压力机与上压式压力机负载时的受力分析 2 3 1 下顶式压力机负载时的受力分析 该压力机在阴极铜自动包装线工作时压力的大小调节为1 8 m p a ，由于液压缸 活塞杆的直径为4 0 0 r a m ，所以在工作时垂直向上的力为： f ；p a f 。1 8 1 0 6x 2 0 0 2 万；2 2 6 0 8 j ( 2 1 ) 铜板与上横梁接触的瞬间所受的压力为零，随着压紧时间的变化铜板对上横 梁施加一个变力f ( t ) ，由于铜板是可压缩的并且两边高度不一致，所以f ( t ) 在增大 的过程中沿着水平方向向上横梁中间移动，f ( t ) 作用点距梁中点的距离为e ( t ) ，铜板 由于受到力矩作用旋转而对上横梁产生水平方向作用力“t ) 。该压力机负载时的结 构如图2 3 所示，图中h ，为压力机立柱发生弯曲变形的长度，x 为立柱的最大摆动 值。 1 0 硕士学位论文 图2 3 下顶式压力机负载结构图 1 上横梁2 铜板3 模具 4 滑块5 液压缸6 下工作台 根据压力机负载工作时的受力情况，并结合机身结构建立的该压力机受力时 的力学模型如图2 4 所示。图中压力机立柱的摆角用口o ) 表示，立柱随时间变化的 摆动值用x q ) 表示【5 1 。 图2 4 下顶式压力机力学模型图 假设压力机立柱摆角为口的瞬间，上图中各个力的大小为一个定值，既： f ( t ) = f ，f ( t ) = f ，并设距横梁中点距离为( t ) = e 。由此列出的压力机在该瞬间 的静力平衡方程为： 铜自动包装线下顶式压力机力学性能研究 力平衡方程：e g ) + b o ) + 厂= 0 瓦( ) ，) + b ( y ) + f g 一0 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 矩平衡方程： f ( 6 + g ) - g b 一，h 。+ b ( y ) 幼一m = 0 ( 2 4 ) g 2 6 一只( y ) 。2 b f 。( 6 + e ) 一，h l m ( 2 5 ) 挠曲线方程：e i o 一m( 2 6 ) 根据上述的静力平衡方程，建立各个力随时间变化的微分方程，采用有限元 分析软件a n s y s 对该压力机机身进行有限元分析、建模和设计。 2 3 2 上压式压力机负载时的受力分析 普通的压力机一般为上压式压力机，液压缸与上横梁相联结，在工作的过程 中主缸活塞杆推动滑块自上而下运动，由滑块和下工作台压紧工件，此时受力面 在固定端的下工作台。 假设上压式压力机的立柱距离、活动横梁最大行程、公称力以及工作压力等 参数与下顶式压力机的完全相同，并且负载特性也完全相同。该压力机负载时的 结构如图所示2 5 所示。 图2 5 上压式压力机负载结构图 1 上横梁2 液压缸3 滑块4 铜板5 下工作台 根据上压式压力机负载工作时的受力情况，并结合机身结构建立的该压力机 受力时的力学模型如图2 6 所示。图中压力机立柱的摆角用p o ) 表示，立柱随时间 变化的摆动值用x ( f ) 表示【6 1 。 硕士学位论文 图2 6 上压式压力机力学模型图 假设各个力随时间的变化情况与下顶式压力机的相同，摆角为0 时的静力学平 衡方程为： 力平衡方程： ，- g ) + f _ ) + ，= 0 只( y ) + 瓦( y ) + f 一只= 0 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 矩平衡方程： 只b - f - p e ) 一厂h ：一l ( y ) 幼一m 一0 ( 2 9 ) 兄( y ) 2 b f ( 6 + e ) 一只b 一厂h 2 一m 一0 ( 2 1 0 ) 挠曲线方程： e 0 = m( 2 1 1 ) 根据上述的静力平衡方程，建立各个力随时间变化的微分方程，采用有限元 分析软件a n s y s 对该压力机机身进行有限元分析。从上压式压力机受力图可以看 出，立柱发生弯曲变形的长度h ，明显小于下顶式压力机立柱产生弯曲变形的长度 h ，所以在受力大小相同的情况下产生较小的摆动。 2 3 3 下项式压力机立柱的刚度要求 由于该压力机在偏斜载荷作用下受的水平分力集中在立柱的上端，其下端与 机座连接，而且四个立柱变形相等，所以在分析计算时把其中任意一个立柱假设 为悬臂梁来研究。由相关资料可知，各个截面的挠度值以及立柱的薄弱部位集中 在立柱与滑块上端面接触的部位，其刚度条件根据公式( 2 1 2 ) 和公式( 2 1 3 ) 判 断【7 1 。 h 嗍s d 】 ( 2 1 2 ) 阽1 ；上：3 7 7 5 ；5 8 1 r a m ( 2 1 3 ) 。 6 5 06 5 0 式中：川一为立柱的最大挠度值； 为许用挠度值，z 为立柱产生弯曲变形 的有效长度。由表2 2 可知h 一= 4 r a m ，即h s b ，所以压力机立柱符合静刚 度要求。 1 3 铜自动包装线下顶式压力机力学性能研究 | | j 自# 自 自! 目= 目$ g 目目目e ! ! 目自= = = 毫自= s 自l 自g 鲁! = 毫, , i 一一一n l - - 。s 目= j 2 4 本章小结 本章详细介绍了下顶式压力机的结构、主要技术规格以及负载的基本参数， 列出了生产现场测出的实验数据。建立了下顶式压力机和上压式压力机负载时的 力学模型，并通过理论计算得出了两种压力机在负载情况下的区别，确立了立柱 的刚度要求。 1 4 硕士学位论文 第3 章压力机机身建模及静力学分析 3 1 有限元方法及a n s y s 软件简介 3 1 1 有限元方法简介 有限单元法( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，也称为f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 的出现和 发展有着深刻的工程背景，是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代 计算方法。其发展应用最初开始于航空领域。2 0 世纪4 0 5 0 年代，美、英等国的飞 机制造业有了大幅发展，随着飞机结构的逐渐变化，准确了解飞机结构的静态和 动态特性越来越显得迫切，但是传统的设计分析方法已经不能满足设计的要求， 工程设计人员便开始寻找更加合适的分析方法，于是出现了有限元法的思想。但 是直n 2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫( c l o u g h ) 教 授形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ 分片函数”，即有限元法是 r a y l e i g hr i t z 法的一种局部化情况，直至t j 2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，有限元法在理 论上才基本成熟，并开始陆续出现商业化的有限元分析软件【引。 有限元法的基本思想是通过节点或单元描述，把复杂的结构合理的划分为可 以计算的微小单元，通过有限个单元的组合求出由单元描述的结构整体行为。同 时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以 表示单元中场函数的分布规律；其次给定边界条件、载荷和材料特性，求解线性 或非线性方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，使用 图形技术显示计算结果。有限元法可以用于工程设计中进行复杂结构的静态和动 力分析，并能准确的计算复杂形状零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和 刚度计算的有利分析工具i 引。 由于单元可以设计成不同的几何形状，因而可灵活地模拟和逼近复杂的求解 域。如果插值函数满足一定要求，随单元数目的增加，解的精度会不断提高而最 终收敛于问题的精确解，但是却增加了计算机计算所耗费的时间。在实际工程应 用中，只要所得的结果能够满足工程需要就足够了，因此，有限元分析方法的基 本策略就是在分析的精度和分析的时间上找到一个平衡点。 有限元法能适用于对工程实际中几何形状不规则、载荷和支撑情况复杂的结 构分析问题。相对于经典的弹性力学而言，具有更大的实际应用价值。有限元法 的最大特点是能够根据产品的材料及使用工况，在产品试制前进行结构应力、应 变和动态特性方而的分析，得到结构的应力分布规律，找出应力集中区域和最大 应力值，发现动态响应的缺陷，为结构的优化设计提供可靠的依据，缩短产品的 开发周期，节约成本，提高效率1 1 。 铜自动包装线下顶式压力机力学性能研究 有限元分析是在结构分析领域应用和发展起来的，它不仅可以解决工程中结 构分析问题，同时还可以解决固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生 物力学等各个领域，能求解由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性( 线 性和非线性) 、弹塑性或塑性问题( 包括静力和动力问题) ；能求解各类场分布问