组合式机架C型板与十字键接触状态研究

1、组合式机架C型板与十字键接触状态研究    关键词：夹紧拉杆 最佳预紧力 有限元 MARC 0 引言 在机械工业中，锻压设备占有及其重要的地位，其发展水平和拥有量不仅对锻压生产起到关键作用，而且在一定程度上反应一个国家的工业水平，目前先进国家锻压设备所占比重在全部机床的30%以上。巨型模锻压机作为一种重要的金属压力加工设备，在航空、航天、汽车及机械等行业得到广泛应用。我国正在建造的某大型模锻压机主机架采用组合板框式结构，这种组合结构克服了大部件制造困难的缺点，但如何保证其整体性工作是设计任务的关键。由于巨型模锻压机制造难，成本高，而主机架中的大多数关键件

2、都是不可更换件，在设计过程中，尽可能的将零部件的强度和刚度校核到最优，防止因这些零部件的损坏而影响到整个压机的寿命，以保证压机的正常使用。组合式板框式机架大量采用了拉杆预紧的形式，这些拉杆的作用不尽相同，其共同点是保证压机的整体性工作，将压机各个零部件组成一个有机的整体，吴生富等分析了预紧机架中预紧拉杆刚度对整机整体性影响甚大。可见，夹紧拉杆在组合式机架中的作用举足轻重，夹紧拉杆工作状态将会直接影响到整机的整体性。在C型板形式的主机架中，十字键扮演着重要角色，它一方面将C型板的受弯曲变形转化为夹紧拉杆受拉，另一方面要保证所有C型板作为一个整体，承担起压机的受载，而C型板与十字键的接触状态对上述

3、两方面的影响都很大。C型板与十字键接触状态良好，就能很好地将C型板的弯曲传递给夹紧拉杆，也就能保证C型板的整体性工作。针对上述问题，本文采用理论分析加数值模拟的方法，将理论分析的结果应用到数值计算中去，通过数值模拟得到C型板与十字键的接触状态与夹紧拉杆的预紧力有直接关系。要保证C型板与十字键具有良好的接触状态，就要保证夹紧拉杆有合理的预紧力。研究结果对大型锻造液压机及采用此类结构的其他类型压机的设计有一定指导意义。 1 分析过程及分析方法 1.1 组合板框式机架简介 C型板式主机架的结构如图1所示： C型板之间通过十字键联接，上端由夹紧梁通过大拉杆拉紧。当机架受到图示工作压力P时，十字键将受到

4、两侧C型板的挤压，对C型板有反作用力，在接触面上产生压应力c，C型板将有向两端扩张的趋势，这时，C型板的扩张趋势将通过夹紧梁传递给夹紧拉杆，夹紧拉杆被拉紧，通过这种方式，将C型板的受拉弯转化为夹紧拉杆的受拉，因此，夹紧拉杆将承担很大的拉力。在这里，十字键与C型板的接触状态将影响到整个机架的力流传递和应力分布，接触状态良好，可以保证主机架的整体性工作，反之，将导致C型板与十字键之间的开缝，在接触区就会发生严重的应力集中，降低压机的使用寿命，甚至使压机不能工作。夹紧拉杆的主要作用就是尽可能的使C型板与十字键保持接触，以减小C型板与十字键之间的开缝，使主机架的应力分布和力流传递更加理想，从而延长压机

5、的使用寿命。要使C型板与十字键之间具有良好的接触状态，就要保证夹紧拉杆有合理的预紧力。所谓夹紧拉杆合理预紧力就是指能够保证满足压机设计和使用要求（C型板与十字键不开缝），而又符合机械结构设计准则的预紧力。 1.2 C型板受力分析 对C型板的理论受力分析如下： 首先将C型板简化为如图2所示的力学模型 因为只关心夹紧拉杆对C型板与十字键之间的接触状态的影响，所以只对C型板上部进行受力分析，将C型板上部视为一简支梁承受一集中载荷（即夹紧拉杆的预紧力F0）于是得到C型板侧面压应力（即C型板与十字键之间的接触面上的压应力）c(x)的表达式如式2-1所示： （式2-1） 其中： SC型板与十字键的接触面积

6、 IC型板与十字键接触面的惯性矩 bC型板的厚度 当压机承受工作载荷P时，C型板的受力状态如图3所示： 不考虑因工作载荷作用而增加的附加力P与附加力矩M，即不考虑C型板在X方向变形量对C型板与十字键接触状态的影响，压应力的计算公式将变为式2-2所示： 由式2-3可以得出结论： 当x=·h（B点位置）时c(x)有最小值，整理得式2-4： 当x=-·h（A点位置）时c(x)有最大值，整理得式2-5： 即在C型板与十字键接触最上部B点的位置应力最小，最下部A点位置应力最大，C型板顶端有向两端裂开的趋势。 为保证C型板与十字键始终接触，二者之间的压应力应该总是存在的，即应使c(x)

7、min0，于是得到最小预紧力计算公式，如式2-6所示： （式2-6） 式2-6为夹紧拉杆预紧力的理论计算公式。 2 数值模拟分析 利用大型非线性有限元软件MARC，建立巨型压机整机的三维有限元模型，在夹紧拉杆上施加不同的预紧力，以C型板与十字键的接触状态作为判据，当C型板与十字键接触节点对之间的开缝距离大于0.05mm时，视为不接触，统计接触节点占总节点的比例，比较在不同预紧力作用下C型板与十字键的接触状态。        2.1 有限元模型的建立 在MARC中建立整机的FEA六面体模型如图4所示： 2.2 试验方

8、法 将C型板各个参数值带入到公式6中，得到满足C型板与十字键始终接触的理论预紧力F0=10.3MN，为了研究C型板与十字键接触状态与F0的关系，分别在夹紧拉杆上施加50MN，60MN，70MN，80MN，85MN，90MN，125MN，共13组预紧力，比较在不同预紧力作用下C型板与十字键的接触状态。 2.3 分析结果 下面是各组预紧力作用下，整机关键件主要数据汇总。 不同预紧力下，C型板与十字键的接触状态如表1及图5所示： 3 结论 3.1 预紧力较小时，C型板与十字键的接触状态较差，随着预紧力的增大，接触状态变的越来越好，达到某一定值时，接触状态的改善不大，此值作为最佳预紧力。 3.2 理论

9、计算的最佳预紧力与有限元分析得到的最佳预紧力并不是完全吻合的，理论求解忽略了局部接触的影响，将真实情况更加理想化，与实际存在一定偏差。有限元模型虽然避免了过多的简化，但也不是100%的真实，将二者结合起来，理论求解的数值作为有限元分析的一个方向，以这个值作为中心，分析它周围的一些值，这样做，既结合了理论的结果，又使有限元的分析不盲目，有理可依，节省了大量时间和精力，达到了理论与实际相结合的目的。 3.3 以上分析为压机夹紧拉杆最佳预紧力的确定提供了理论依据，同时利用有限元计算的方法对理论结果进行修正，得到了夹紧拉杆的最佳预紧力对压机的设计具有重要的参考价值和现实意义。 参考文献: 1别洛夫等著，靳辅安等译.水压机