（光学工程专业论文）快锻压机预应力机架的分析与研究.pdf

兰州交通大学硕士学位论文 摘要 快速锻造液压机组是一种上世纪6 0 年代开始发展起来的新型锻压设备，主要用于 钢锭的开坯和自由锻件的压力加工，尤其适合合金成份较高材料的锻造。随着液压技术 和微电子技术的快速发展，进一步加快了快锻液压机组的研发进程。 传统的设计方法是一个依靠人工反复进行设计的过程。大部分生产厂家和设计单 位，包括一些大中型企业的设计单位，基本上还沿袭了这种传统的设计方法，由于缺乏 相对完善的现代设计方法和手段，导致液压机机架本体设计过于保守，从而导致了设计 周期长、工作效率低、浪费人力和财力等问题，严重影响着企业的市场竞争力。这样的 设计过程得到的结果虽然可行，但往往不是最优的。所以，拓宽快锻压机的设计方法、 提高快锻压机的设计能力就显得十分必要。 本文根据上传动快锻压机预应力机架的应用工况，针对8 0 m n 机架下横梁的结构特 点，研究制定了结构模型，确定了零件的结构优化参数及目标函数，利用s o l i d w o r k s 三维造型软件构建参数模型，借助a n s y sw o r l ( b e n c h 对参数化模型进行优化设计，使零 件的结构更加合理、规范，大大提高了压机设计的科学性与准确性，减少了仅仅依靠设 计者个人素质及经验引起的不确定因素，使零件的设计更具科学性与准确性，提高了复 杂零件的设计质量，为压机关键零部件的设计起到很好的辅助作用。利用这种方法可以 有效改善传统的设计过程，并将优化设计的思想引入到快段压机关键件的设计中来，把 重复耗时的分析交由计算机完成，大大节省节省了机架方案设计的时间，有效提高了设 计效率。在解决了下横梁几何模型描述与驱动、参数联动、模型自动更新等系列问题 的基础上，利用下横粱优化设计的研究成果，对8 0 m n 上传动快锻压机预应力机架上横 梁结构进行了优化设计，得到了比较满意的结果，进一步验证了优化设计思路的准确性， 为快锻压机关键零部件的设计提供了依据。 同时，根据上传动快锻压机预应力机架的应用工况，研究了预应力机架的预紧方法， 分析了影响机架预紧力的因素，阐述了预紧力计算的思路，为预应力机架设计提供了理 论依据。 论文以8 0 m n 上传动快锻压机预应力机架为例，利用a n s y sw o r k b e n c h 中的 d e s i 趴s i m u l a t i o n 模块与s o l i d w o r k s 之间的双向参数互动，将两种不同软件的运行环境 链接在一起，对结构参数模型进行优化，避免人工反复修改模型，大大加快了产品改进 设计的过程，为复杂零件的设计提供了一种有效的思路。 关键词：快锻压机；预应力机架；辅助设计 快锻压机预应力机架的分析与研究 论文类型：应用研究 兰卅l 交通大学硕士学位论文 a b s t ra c t q l l i c kf o 晤n gh y d r a u l i cp r e s si san e wt y p eo ff 0 晒n ge q u i p m e n tw h i c hd e v e l 叩e di nt h e l9 6 0 s ；i ti sm a i m yu s e di nc o g g i n gt h es t e e li n g o ta n dt h ep r o c e s s i n go f 诧ef o r 西n g ， e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h ef o 哂n go ft h eh i g ha l l o yc o m p o s i t i o nm a t e r i a l w i _ 1 1t h er a p i d d e v e l o p m e n to fh y d r a u l i ct e c h n o l o g y a n dm i c r o e l e c 自r o n i c s t e c h n o l o g y ， t h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so nh i 曲s p e e df o r 舀n gh y d r a u l i c 吼i th a sb e e ns p e e du p 。 n e 仃a d i t i o n a lm e m o dt ob u i l do r i 百n a lm o d e l sm a i l l l yd e p e n d so ne x p 酬e n c e s ，a 1 1 dt h e n r e l i e so n r 印面t i v e c a l c u l a t i o n st or e v i s et 1 1 e i l l m o s to ft h em a n u f a c t u r e r sa n dd e s i 印 u n i t s ，i n c l u d i l l g s o m eo fm e1 a r g ee n t e 印r i s e s ，b a s i c a l l yf 0 1 1 0 w e dm e s et r a d i t i o n a l d e s i g n m e m o d s t h ed e s i 盟i st o oc o n s e r v a t i v eb e c a u s eo fl a c k i n g o f r e l a t i v e l ym o d e md e s i 印 m e c h o d sa n dm e a n s ，w h i c hl e a d st oe x t e n d i n gt h ed e s i 萨c y c l e ，1 0 w i n ge 街c i e l l c ya n dt 1 1 e w a s t eo f h u m a i la r 】【df i n a n c i a lr e s o u r c e s t h ec o m p e t i t i v e n e s so fc o 印o r a t i o n si sr c s t c t e d a 1 1 o fr e s u l t sg o tb y l i sm e t l l o da r e 诧a s i b l e ，b u tn o to p t i m a l s oi ti sv e 巧i m p o n a n tt od e v e l o p t h ed e s i 盟m e t h o da 1 1 de n h a l l c el h ed e s i 盟c a p a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so ft h es u p 甜o r - d r i v e nq u i c kf o r g i n gh y d r a u l i c u n i ta 1 1 dt h es t m c t u r a lf e a t u r e so fm e1 0 w e r b e a m ，as 仇l c t u r a lm o d e li sd e v e l o p e da 1 1 da l s o it h ep a r 锄e t e r so fm es t r u c t u r et oo p t i m i z ea 1 1 dt h eo b j e c t i v e 如n 砸o na r ei d e n t m e d t h e p a r 咖e t e rm o d e l sa r eb u i l t b yu s i n gs o l i dw o r k sa 1 1 do p t i m i z a t i o n sa r ed o n eb yu s i n ga n s y s w o r k b e n c ht om a k es u r et h es t r u c t u r ei sm o r er e a s o na ：b l ea n ds t a n d a r d i z e d a sar e s u l t ，m e a c c u r a c yi s 孕e a t l yi m p r o v e da n dt 1 1 eu 1 1 c 酣a i n t i e so f r e l y i n gs 0 1 e l yc a u s e db ym ed e s i 盟e r s o f p e r s o n a lq u a l i t i e sa 1 1 de x p e r i e n c ea r er e d u c e d t h eq u a l i t i e so fc o m p l e xp a n sa r ee 1 1 l l a n c e d w l l i c hp l a y sav e 巧g o o ds u p p o r t i n gr 0 1 et ot h ed e s i g no ft h ek e yc o m p o n e n t s 1 1 1t h ed e s i g n p r o c e s s ，t h i sm e t h o dc o u l dc o m p l e t et 1 1 et r a d i t i o n a lm e t h o da i l ds a v et i m e ，i m p r o v ee m c i e n c y b yu s i n g 也ec o m p u t e rt o 勖i s hm er 印e t i t i v ea l l dt i m 争c o n s 啪i n gw o r ko n c et i m e o nt h e b a s i so fs o l 啊n gt h eg e o m e t r i cm o d e ld e s c n p t i o na l l d 蹦v e r l i n k a g eo ft l l ep a r 锄e t e r s 柚da u t o m a t i c a l l yu p d a t e so ft h em o d e l ，m eo p l i m i z e dd e s i 印o ft h eu pb e 锄i sd o n e ，t h e r e s u l t sa r er e l a t i v e l ys a t i s f i e d n ea c c u r a c yo fo p t i m i z a t i o nd e s i 盟i s 缸也e rv a l i d a t e d ，w h i c h p r o v i d e sab a s i sf o rt h ed e s i 凹o ft h ek e yc o m p o n e n t so ft l l eq u i c kf o 晤n gh y d r a u l i cu n i t a tm es 锄et i m e ，a c c o r d i n gt ot h e 印p l i c a t i o nc o n d i t i o n s ，t h em e m o d so fi m p o s i n gt 1 1 e p r e s t r e s s e da r es t u d i e d ，m ef a c t o r sw h i c hh a v ee f l e c t s o nt h ep r e l o a da r ea n a l y z e da i l d t h ei d e ao fl h ec a l c u l a t i o no ft h ep r e l o a di s d e s c 抽e d ， s ot l l i sd i s s e n a t i o n p r o v i d e s a t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep r e - s t r e s s e df r a m e t l l e d i s s e r t a t i o nt a l ( e sp r e - s t r e s s e d 舶m eo f8 0 m ns u p 嘶o r - d r i v e nq u i c kf o 晤n g h y d r a u l i cu n i tf o re x 锄p l e ， o p t i m i z e st h es t m c t u r a lp a r 锄e t e r so f t h em o d e l sb yu s i n g b i d i r e c t i o n a l - w a yp a r 锄e t e ri n t e r a c t i o n sb e t w e e nd e s i 班s i m u l a t i o na n ds o l i dw o r k ss oa st o i i i 快锻压机预应力机架的分析与研究 a v o i d i n ga r t i 矗c i a lm o d i 母t h em o d e l sr e p e a t e d l y b yu s i n g t h i sm e 1 0 d ，f h ed e s i g np r o c e s si s 伊e a t l ya c c d e r a t e d ；i tp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a y f o r l ed e s i 印o fc o m p l e xp a n s k e yw o r d s ：q u i c kf o r g i n g 珏y d r a u l i cp r e s s ；p r e s t r e s s e d 】a m e ； a s s i s t e dd e s i g n i v 兰州交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 国内外压机制造发展历程 快锻液压机是上世纪6 0 年代开始发展起来的一种新型锻压设备，主要用于钢锭的 开坯和自由锻件的压力加工，特别适合合金成分较高的材料的锻造。 在西方发达国家，液压机的制造及应用起步较早。帕斯卡早在1 6 6 2 年就发现了液 体产生很大力量的可能性。1 7 9 5 年，英国人b r 锄a 1 1 就取得了第一个手动液压机的专利。 经过1 0 0 多年的使用，液压机的结构、传动、控制等技术日臻成熟。但真正液压机的发 展历史还不到2 0 0 年u j 。 在我国，由中国人自已设计制造自由锻造液压机和生产大型锻件的时间并不长，仅 有5 0 多年的历史。国内出现最早的锻压机是在鞍山于1 9 5 3 年由日本人赔偿的一台 2 卟烈的自由锻水压机，经修配后在沈阳重机厂投入使用，随着第一台锻压机的问世， 沈阳重机厂也成为我国第一家自主生产大型锻件的工厂，在不断地加工摸索中，该工厂 也孕育了一代又一代掌握精湛锻造技术的锻件加工工人和技术操作人员。随后的4 年， 由于我国第一个五年计划的契机，由苏联援建的个别企业中已有各种型号的自由断水压 机，如8 m n 、1 2 5 m n 、2 0 m n 、3 0 m n 、6 0 m n 等型号，总数共约8 台。我国自1 9 5 8 年以后，先后向苏联重机厂、乌拉尔重机厂、新克拉马托重机厂派送了大批锻件加工工 人和技术人员，在学习先进的锻件加工工艺，掌握成功的经营模式后，回国来到各地不 同的水压机厂。这次出国学习的行为不仅为我国水压机厂带来了先进的工艺技术，还为 我国今后大型锻件的生产提供了有力保障 2 】。我国第一个五年计划取得圆满成功后，全 国经济飞速发展，矿山、轧钢、电站、造船、石化等各行业出现了对大型锻件的紧缺现 象，由于生产力的迫切需要，我国自主研发了1 0 m n 、1 2 5 m n 、1 6 m n 、2 0 m n 、2 5 m n 、 3 0 m n 、6 0 m n 、8 0 m n 、1 2 5 m n 等各型号自由锻水压机4 0 余台。 随着1 9 7 6 年我国提倡以技术发展为核心，以科技水平为动力后，对锻压机的生产 水平又上了一个新台阶。为了增大大型锻件的生产量、提高产品质量、丰富锻件种类， 我国自主设计生产了一批满足锻件需求具有新型结构的锻液压机。不仅如此，我国还引 进国外先进生产技术，进行跨国合作和整机进口，还特意邀请国外知名企业对旧式液压 机进行改装，为我国自由锻液压机行业的发展奠定了坚实基础。在此期间，我国先后从 德国、日本等国引进了2 0 m n 快锻机组。而后，兰州兰石重工新技术有限公司、西安重 型机械研究所也研制成功了6 3 m n 、8 m n 、1 6 m n 、2 0 m n 等一系列国产快锻设备。 快锻压机预应力机架的分析与研究 与传统的锻造水压机相比，快速锻造液压机有着一系列优点：运行速度快、控制精 度好、自动化程度高等，不仅提高了生产能力和锻件质量，而且还减少了操作人员。随 着国民经济的快速发展，该种锻压设备技术先进、工效显著、系统可靠、运行平稳等一 系列优势正在被越来越多的业内人士所认可，市场对快锻设备的需求呈逐年上升的趋 势。在未来的发展中，快锻压机具有非常大的发展空问和市场。 2 0 0 8 年1 2 月，由太原重工设计制造的8 0 m n 双柱上传动快速锻造液压机在中钢集 团邢台机械轧辊有限公司进行热试车成功。此台压机配置了世界上最先进的机电液控制 系统，并成功与大型全液压轨道式锻造操作机联机，实现了自动化控制，体现了自由锻 压生产的精密化和快速化瞄】。 最近几年，我国大型自由锻压机行业发展迅猛，2 0 0 6 年时全国更是掀起了一股投资 大型自由锻的热潮。2 0 0 7 年到2 0 0 8 年这两年内，即将投产的6 0 0 0 吨以上的自由锻液压 机就有5 台，而计划投资建设的多达到1 0 台以上。 经过几十年的发展，我国压机制造业无论是设计能力还是制造能力，都有了空前的 发展和进步，正在向着世界先进水平迈进。 1 2 我国压机主机研究现状 锻造液压机是机械行业中一种重要的工作母机，在机械加工行业中扮演着十分重要 的角色。随着现代工业的迅猛发展，锻造在国民经济和国防安全中所起的作用越来越重 要。主机是锻压机重要的组成部分，它不仅仅是压机各主要零件的装配基体，还要承受 全部的工作载荷。机身承载能力的强弱和变形大小将直接影响产品的质量和模具的使用 寿命。因此，锻压机主机的设计迫切需要新的研究方法。与之相矛盾的是，很多压机生 产厂家依然采用传统的设计方法。其主要的设计依据是设计者的经验和大量的相关资 料，在参照同类产品进行比对、估算后，完成压机的最初设计，再对其进行仿真分析。 在仿真的过程中，由于压机本机结构中的上下横梁和立柱等结构形状比较复杂，而且不 是理想的杆件，因此，要对它们进行必要的简化才能够用力学的方法进行研究。另外， 压机结构中相当一部分数量的零件的截面尺寸是变化的，例如各种腔体、清沙孔、螺纹 孑l 等。在这些位置，根据力学公式计算的结果和实际应力相差很大，在截面尺寸剧变的 地方，如小孔、尖角处存在严重的应力集中现象，这种情况材料力学很难计算。 综上可见，锻压机主机的设计最早是根据材料力学建立的模型进行计算的，随着计 算机技术的快速发展，逐渐引入了有限元法和数值模拟技术，使主机的设计结果更加具 有可靠性，设计过程也更加快捷，水平有了很大提高。但是在主机的设计领域还存在以 下几个问题：( 1 ) 对单个部件的研究相对较多，而对多个部件的总体研究较少；( 2 ) 对整 兰州交通大学硕士学位论文 体结构式机身研究的比较多，对组合式机身的研究较少；( 3 ) 只注重研究，不注重应用， 大部分的研究还是停留在对已经制造完成的压力机进行校核的层面上，而不是应用有限 元模拟方法对机身进行设计。 机架作为机组本体中最大的受力元件，同时也是主机重量最大的部件，随着生产的 系列化要求和公称载荷的提高，仅仅凭借经验设计已无法满足目前的要求，必须寻求先 进的辅助设计手段，为机架设计提供一套较为完善的方法，形成一个有效、完整的设计 系统，实现结构的参数优化设计。 本文所要做的研究就是如何将c a d c a e 技术更好的融入到快锻压机的设计中去。 对于企业而言，快速响应市场的需求，合理利用已有的资源以及利用更快更新的设计理 念与方法，则会达到提高机架使用寿命和减轻重量、节约成本的双重效果。 1 3 优化设计的概念 优化设计是用系统的、目的定向和良好标准的设计过程来取代传统的试验纠错方 式。优化设计通过对问题的识别、定义、模型化、寻求优解以及对解的评价等形成一种 概念框架和程式。设计也不限于产品，可以是设计一个产品或一个过程，也可以是设计 一个机构，它们的基本原理是相通的 4 1 。现代优化设计是由需求驱动的，这些需求首先 是指对所设计对象的性能需求，对于企业而言，产品的性能起着根本性和持久性的作用。 在机械设计领域，结构优化是最常用的。结构优化是指在给定的载荷和边界条件下， 在结构预定的可行区域中寻找材料的最优分配，包含了对结构的尺寸、形状、拓扑和布 局的设计。 与传统的优化设计不同，拓扑优化设计无需优化设计变量，它将整个结构体上的质 量分布函数作为优化参数，其优化目标是在满足所给定的约束条件下，使所选择的标准 达到最优。 结构优化中，布局优化是难度最大、同时收益也最大的。它是结构优化领域中最富 挑战性的课题之一。在压机关键件的优化问题上，由于受机架的性能、装配等多方面的 限制和要求，其关键件在布局优化方面的研究意义已经不大。对于经典机架，其结构形 式已经形成，设计者所要做的就是如何在满足设计要求的前提下，找出尺寸的最优值， 也就是对其进行尺寸优化。 数字仿真和虚拟现实技术逐渐成为在设计中获取信息并作出判断的有力的辅助工 具。有限元分析软件的出现，让设计变得更加轻松。在基于结构参数化的有限元分析方 法中，最常用的一种是利用a n s y s 提供的a p d l 语言，将参数化思想引入到机械设计 中来。 快锻压机预应力机架的分析与研究 a p d l 语言是一种a n s y s 参数化程序设计的解释性语言，可以用来完成根据参数 建立模型和一些通用性较强的任务。其实质与f o r t r a i l 7 7 程序的语言设计部分相仿，都 有多达1 0 0 0 条a n s y s 命令的驱动功能。在利用a p d l 进行编写程序时，这些命令不 仅会根据设计语言写进程序，还能直接对命令赋参数值或通过表达式的结果间接对命令 赋值。a n s y s 程序在正常运行时是由这1 0 0 0 多条命令驱动【5 】，一般常用的命令包括： 定义模型、划分网格、定义材料、添加约束和载荷、控制和执行求解以及后处理的计算 等命令。 传统的优化设计方法大多采用a p d l 语言，很多人都对其优化功能做过研究与开发 【6 堪】，其中大多数是针对一些仅通过旋转、阵列就可以生成的结构简单的零件，而对于 结构复杂的零件，则需要编制大量的程序语言，并且进行反复的调试。 1 4 课题的研究 1 4 1 课题研究的意义 机架是快锻压机中主要的受力件，因此在设计时应要使其满足强度要求。如果横梁 一旦损坏，不论是上横梁还是下横梁，耗资都在上百万。如果再造成停工停产，那损失 将会更大。另外，锻压机的零件通常都在上百吨，材料成本占总成本的比例很大，对于 压机的轻量化设计、质量控制、成本控制都有很高的要求。因此，对于压机中的上下横 梁等关键零部件进行定量分析，进行合理的设计是十分重要的【弘j 。 针对快锻压机主机关键件设计方法的研究，对压机的设计具有一定的辅助作用。根 据快锻压机机架主要零件的结构特点，利用s o l i d w o r k s 三维造型软件构建参数模型，并 利用a i l s y sw o r l ( b e i l c h 对上述模型进行优化设计，可大大提高压机设计的科学性与准确 性，并且可以减少由设计者单单依靠个人素质及经验带来的不确定因素。 1 4 2 课题研究的对象和目的 快速锻造液压机组的主机一般按结构形式可分为上传动和下拉式的两种方式。 上传动结构的工作主缸安置于压机上端，在上横梁与活动梁之间。这种结构形式的 优点是运动部分惯量小，易于控制，节约能源，对基础要求低。但由于主缸置于压机上 端，当发生油液泄漏时，易发生火灾隐患：且重心高，液压管线长，降低了工作效率， 易产生液压冲击和振动。 下拉式结构是一种新的结构形式，即工作主缸置于压机下端，在下横梁与固定梁之 间。主机重心低、稳定性好，液压阀站距主缸距离短，可有效减小液压冲击产生的振动、 兰州交通大学硕士学位论文 节省占地面积且安全性好；但由于下拉式压机运动部份惯量大，损失一部份功率，增大 了控制难度，对压机基础要求高，土建投资较大。 在液压机向大型、超大型方向发展的趋势下，若仍采用下拉式结构，随着机架质量 的增加，其运动部分的惯性将会变得很大，同时给铸造、焊接、热处理及机加工带来更 多的困难。所以，上传动的结构形式有更大的发展空间。 本课题以上传动快速锻造液压机主机中机架为研究对象。同一系列不同吨位的压机 在上下横梁的结构上具有相似性，并且下横梁的质量比上横梁的质量要大，因此，其优 化的必要性要比上梁显著。 课题的目的是为了提高压机关键件设计的科学性与准确性，加快压机关键零部件的 设计过程。以三维造型软件s o l i d w o r k s 及有限元分析软件a n s y sw o d ( b e n c h 为工具，建 立集快速化建模、尺寸驱动、有限元分析及优化等功能为一体的压机关键件的设计平台。 1 4 3 课题研究的途径和方法 课题的研究途径主要有两个：首先是建立基于c a d 参数化技术与c a d c a e 一体 化技术的有限元建模方法，加快有限元模型的建立速度。有限元模型的建立是有限元分 析必要的前处理过程，实践表明，模型的建立在占整个有限元分析工作量的7 0 左右， 因此，如何快速、准确、高质量地进行有限元模型的建立，一直是c a e 分析的重要研 究的问题【1 2 】；其次是利用有限元分析软件a n s y sw o r k b e n c h 自带的优化工具 d e s i 郾【x p l o r e r 对所建立的模型进行优化设计，通过设置目标函数，选择设计变量及调整 变量范围，最终满足设计要求。 从具体的分析过程来看，需要经历建立参数模型、s 0 1 i d w o r k s 和a n s y sw o r l ( b e n c h 之间的数据传递、有限元分析及优化等几个相关步骤。在这个过程中， s o l i d w o r k s 主 要用来建立参数模型，接下来用a n s y sw o r l ( b e n c h 来完成对零件的有限元分析和优化设 计工作。这两种软件相结合，可以扬长避短，合理地利用资源。 从单个零件的设计、优化过程来看，要想最终获得结构合理、性能可靠的零件，要 经过以下几个步骤： ( 1 ) 根据用户的要求，确定其主要的技术参数，并根据设计准则初步确定零件的型 式与主要尺寸，保证其内外零部件能正常运行； ( 2 ) 分析载荷情况，包括零件上的设备重量、本身重量、所受的载荷、内力以及约 束条件等； ( 3 ) 参照类似设备的有关规范和标准，确定零件性能的许用值； ( 4 ) 对零件进行分析计算； 快锻压机预应力机架的分析与研究 用户需求 i 确定主要技术参数 i 确定零件尺寸的性质 i ii i 参数化建模il 参数驱动l i t 快速化设计 t 有限元分析 t 结构优化设计 其它设计 图1 1 研究思路 1 5 论文主要工作 论文主要完成的工作有： ( 1 ) 对已有的快速锻造液压机做深入的调查，对典型的压机机架的结构形式进行分 析，并找出对主机预紧性能影响较大的因素； ( 2 ) 利用s o l i d w o r k s 实体造型软件建立基于机架关键零部件的实体模型。实现关键 件的快速化设计； ( 3 ) 对压机主机机架进行有限元分析； ( 4 ) 利用a n s y sw o d ( b e n c h 对下横梁进行优化设计； ( 5 ) 在有限元分析的基础上，对压机主机机架预紧提出修正。 兰州交通大学硕士学位论文 2 液压机简介 液压机是一种用液体作为工作介质，用来传递能量以实现各种工艺的机器。它集机 械、液压、自动控制等相关技术于一体，涉及到机械、液压、电气等多个专业领域，是 一项大型的系统工程。它主要用于大型锻件的锻造领域，可以实现墩粗、拔长、冲孔、 扭转、弯曲等锻造工艺。 快锻液压机组组成如图2 1 所示，主要包括以下几部分： ( 1 ) 压机本体( 主机) ，是压制锻件的主要执行械； ( 2 ) 液压系统，用于驱动主机； ( 3 ) 锻造操作机，是机组中最主要的辅机，用夹持锻件，相当于机械手； ( 4 ) 电控系统； ( 5 ) 送料回转车，由加热炉到操作机前送料或使锻件掉头； ( 6 ) 公用设施，包括：通风、照明、冷却( 加热) 、排污、报警、通讯联络、起重、 电视监控等配套设施。 4 图2 1 快速锻造液压机组布置图 1 操作机2 升降台3 主机4 移动回转台5 电控系统 6 液压控制系统 与传统的锻造设备相比，它主要有锻造效率高、自动化程度高、工人劳动强度低等 特点。随着快速锻造液压机组在锻造行业发挥的作用越来越大，它的研究和制造必将成 为未来各国的主要研究对象。进入2 1 世纪，世界经济飞速发展，大型锻件广泛的应用 于各国工业建设中，发挥的作用也越来越大，各国投入了大量的人力和财力在快锻液压 快锻压机预应力机架的分析与研究 机组的研究中，特别是液压技术和控制技术的应用，使得快锻液压机组的发展速度大大 提高。 2 。1 压机的结构形式 对于压机结构的选择，主要考虑这种结构对锻造工艺的适应能力、制造成本、耐用 性能、是否便于维修等。然而每一个厂家都面临着同样的矛盾，一方面，压机市场越来 越繁荣，市场对新产品的需求越来越多，对产品的性能要求越来越高。另一方面，随着 压机吨位的增加，压机所承受的负载越来越大，对于设计者而言，在经验、资料、文献 以及可参考的同类产品等方面越来越少，设计所面临的问题和挑战也越来越大。 从运动形式来看，压机主要可以分为上传动和下拉式两种。 图2 2 下拉式快锻压机结构示意图 下拉式结构有以下优点： ( 1 ) 压机本体重心较低，几乎与地面水平，稳定性好。 ( 2 ) 工作缸在地面以下，地上几乎没有什么管道。当用液压油作为工作介质时，不 易着火，比较安全。由于压机的晃动影响不到管道连接处，因此管道寿命较长。 ( 3 ) 上横梁的跨度不工作缸外径的限制，因此可以设计的比较窄，以便于操作。 ( 4 ) 液压机地面上高度小，可以安装在高度较低的车间里。 同时，下拉式结构也有以下缺点【1 3 】： ( 1 ) 地坑深度要加深很多，地下工程量较大； 兰州交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 运动部分质量较大，惯性很大。 下拉式结构采用的是利用液压缸驱动机架运动的形式，其运动部分质量太大，不利 于控制及实现快速锻造。在液压机向大型、超大型方向发展的趋势下，若仍采用下拉式 结构，随着机架质量的增加，其运动部分的惯性将会变得很大，同时会给铸造、焊接、 热处理及机加工带来更多的困难。 上传动结构，其运动部分变为活动梁，从而大大减小了运动部分重量，增加了快速 锻造时的稳定性，便于实现快锻并有利于控制。最近几年国内设计制造的大吨位压机如 中重院研制的1 6 5 m n ，太重研制的8 0 m n 和中信重工研制的1 8 5 m n 自由锻造液压机， 都是采用的双柱上传动结构。图2 3 为上传动液压机主机的结构实体模型。 1 主缸2 拉杆3 上梁4 立柱5 活动梁 6 移动工作台7 支架8 下梁9 横向移砧装置 图2 3 上传动快锻压机结构示意图 2 2 机架的结构形式和特点 液压机本机一般由机架、液压缸部件、导向装置以及其他辅助装置组成。其中，机 架是压机本体的重要组成部分，承受机器的全部工作载荷，在工作状态下，机架不仅要 快锻压机预应力机架的分析与研究 承受工作载荷，还要承受高温、振动的考验。机身的应力及变形大小将直接影响产品的 精度及机架的使用寿命 液压机的本体机构设计时应该考虑一下几个基本原则： ( 1 ) 便于操作，而且工艺要求要尽可能地得到满足； ( 2 ) 要具备合适的强度与刚度，使用可靠并不易损坏； ( 3 ) 制造维修要方便，有良好的经济性。 在这几条原则中，决定液压机本机结构形式的最主要因素是工艺要求。不同的液压 机完成的工艺也是不尽相同的，因此液压机的本体结构形式必然也是多种多样的 1 4 1 6 1 。 从机架的结构形式来看，常见的主要有四柱式、单柱式、整体框架式和预应力等几 种结构。 2 2 1 四柱式结构 在这种形式的结构中，上横梁、下横梁和立柱组成了一个封闭的刚性框架，它要承 受压机全部的工作载荷，不允许有任何松动。其结构简图如图2 4 所示。 够 j； j； ，? _ 、， 一广h ； 广广1 一 马鳃l l馘 i 擘 趣： 】芒：!， 蛰一 ，一 - 聊。留 j | 【 铤，矽 - ，il 卜 【j l p 1 【 图2 4 三梁四柱上传动机架 工作空间宽敞是四柱式结构最显著的特点，因此很容易从四个方向对模具进行观察 和接近。四柱式整机结构简单，工艺性较好。 这种结构的缺点是对偏心载荷的承受能力相对较差，在最大载荷下允许的偏心距一 般为跨度的3 ；另外由于立柱的刚度较差，在偏载时活动梁与工作台之间容易出现倾 兰州交通大学硕士学位论文 斜和水平位移；而且立柱的导向在磨损后不能进行调整和补偿。由于这些缺点的存在， 很大程度上限制了它使用的范围。 在传统的上传动三梁四柱式结构中，压机本机的重心相对地面高出很多，因此在快 速锻造时稳定性较差，机架晃动很大【17 1 。 2 2 2c 形单柱式结构 这种机架的主要特点是结构比较简单，工作区域宽敞，工作时可以从三面接近压机， 特别适合于长度或宽度很大的中厚板的矫直、弯曲和成形的工序，操作方便1 8 1 。图2 5 为一台c 形单柱液压机的机架简图。 l j | l j jl 图2 5c 形单柱液 单柱式机架的刚性比较差，一般做成空心箱形结构，以提高抗弯刚度并减轻重量。 2 2 3 整体框架式结构 在这种结构形式中，机架是通过铸造或焊接的方法将上横梁、下横梁以及立柱成一 个整体，结构简图如图2 6 所示。 整体焊接式结构的优点是在结构设计上可根据机架的受力情况对不同厚度的钢板 进行合理地选用和布置，因此这种形式的机架重量可以做到最轻。钢板的各项性能一般 要比铸钢件好，并且在加工过程中易受工艺的限制不大，因此将不同厚度的钢板焊接在 一起比较容易。焊接式的缺点是焊接前钢板的加工量大，需要的准备工作较多，而且需 要合适的焊接设备和熟练的焊接技术，以尽量减少焊接造成的变形和残余应力。 整体铸造式结构的优点是零部件数量少，加工面少，机架刚度大。缺点是整体铸造 前需要制造木模和砂箱等，前期准备工作复杂。在结构上壁厚不能太小，厚度也不能相 快锻压机预应力机架的分析与研究 差太大，因此，相对于焊接式结构铸造式的重量较大。此外，铸件的清砂工作较费工时， 外表面也比较粗糙。 图2 6 整体框架式机架 总的来说，整体框架式机架的刚度较好。由于立柱截面不再是圆柱形，因此活动梁 的导向可以采用可调整的平面导向。但是由于机架的整体重量较大，在设计时应仔细考 虑吊运方案和加工能力。最大的缺点是容易在立柱和横梁转角处产生应力集中，而且往 往应力是最大的。所以在设计时应适当加大过渡圆角的半径，合理布置焊缝和加大转角 处的横截面面积。 2 2 4 预应力钢丝缠绕式结构 这种机架形式的结构简图如图2 7 所示。机架由上、下拱形梁和两侧立柱组成，外 面用高强度钢丝进行缠绕预紧，最终使总的预紧力达到最大工作载荷的1 5 倍或者更高， 这样，立柱在工作时始终承受压应力。 预应力钢丝缠绕结构的被预紧件在缠绕前，先将其固定在同转装置的平台上，通过 回转装置的回转将颈应力钢丝逐渐缠绕到被预紧件上，需要注意的是被预紧件在固定时 既应可靠固定，以防缠绕时转动又不能将其固定死以致无法自由变形。 对于现代大型液压机来说，无论是重量还是尺寸都达到了极限，机架长度达到2 0 3 0 米，重量可达上千吨。如此巨大的的被预紧件对于回转装置的制造是一个很大的挑战。 因此，大型液压机多采用机器人式缠绕设备。在缠绕过程中，被预紧件固定不动，缠绕 机构围绕被预紧件进行回转缠绕。被预紧件的外形轮廓即为缠绕机构的运动轨迹。机器 兰州交通大学硕士学位论文 人式缠绕机构的重量远小于被缠绕件重量，这样就降低了系统的转动惯量，可以提高钢 丝的缠绕的速度。 图2 7 预应力钢丝缠绕机架 钢丝层 拱形梁 垫块 半圆形垫块 立柱 2 2 5 拉杆预应力结构 该结构通过长的拉杆将上、下横梁和立柱预紧成一个整体机架，在立柱和上、下横 梁接触面上，装配预紧后配打圆柱销或方键定位。结构简图如图2 8 所示。这样在工作 载荷作用下，上下横梁梁和立柱之间不会因为受力而产生分离，这种结构一方面可以调 高机架的的刚度，另一方面也降低了拉杆和立柱的动态应力。因此，在锻压机中得到了 广泛应用。预应力组合式中的预应力拉杆只承受拉应力，立柱只承受弯矩和压应力，从 何改善了受力状况【1 9 】。预应力拉杆应力波动幅度小，抗拉疲劳性能好，框架变形相应也 小，有利于控制锻造精度。 预应力框架的拉杆可以采用单根或者多根，随着液压机向着大型化发展趋势越来越 明显，近年来有采用多根拉杆的预紧方式。 预应力机架多根杆预紧相对于单个拉杆预紧有以下优点： ( 1 1 拉杆直径较小，加工难度相对较小； ( 2 ) 多跟拉杆承受预应力，预应力容易施加，安装操作容易实现； ( 3 ) 小直径的拉杆对加工误差在螺纹根部产生的弯曲应力影响较小。 快锻压机预应力机架的分析与研究 一徊 图2 8 预应力机架结构简 2 3 快锻压机的基本参数 快锻压机的基本参数是设计液压机时最基本的技术依据，它可以在一定程度上反映 液压机的特点及工作能力。这些基本参数是根据液压机的结构类型和工艺用途来确定 的。 液压机的基本参数有： ( 1 ) 公称压力它反映了液压机的主要工作能力，在数值上等于工作介质的最大压 力和工作柱塞工作面积的乘积。通常，大中型液压机将公称压力分为两级或三级，这样 可以在满足工艺要求的前提下节约高压液体，充分利用设备。 ( 2 ) 最大净空高指活动梁停在上极限位置时，从工作台上表面到活动梁垫板下表 面的距离。开口高度反映液压机在高度方向上工作空间的大小。主要受锻造能力及工艺 性能的影响。最大净空高对液压机的总高、立柱长度、液压机稳定性能，以及安装厂房 高度都有很大影响，在满足工艺要求的同时，要尽量控制液压机的高度。 ( 3 ) 最大净空距指当压机斜置时，两立柱间在移动工作台与横向移砧装置方向上 的最大宽度。最大净空距对液压机的零件尺寸轮廓影响很大，与压机本体重量及性能关 兰州交通大学硕士学位论文 系密切。选择合适的斜置角度，可以在最小的轮廓尺寸下，满足最大净空距两个方向上 的要求，最大程度的节约成本。 ( 4 ) 工作台尺寸工作台尺寸与最大净空距有关，反映了液压机平面尺寸上的加工 能力，也是压机设计中十分关键的参数，对液压机的三个横梁尺寸和重量有直接影响， 与压机的使用性能有密切关系。 以8 0 m n 快速锻造液压机为例，根据用户的生产需求与工艺要求，确定主机结构形 式为预应力双柱斜置上传动形式，由1 4 根拉杆预紧，安装角度为3 4 。，其主要技术参数 列于表2 1 。 表2 18 0 洲快锻压机主要参数 参数名称数值 结构形式 预应力双柱斜置上传动( 斜置3 4 。) 拉杆数目1 4 根 工称压力 8 0 m n 介质压力 3 1 5m p a 工作行程2 8 0 0m m 油缸个数 3 柱塞直径 1 0 5 0 珊 最大净空高 6 0 0 0m m 最大净空距4 4 0 0 2 0 0 0m m 工作台尺寸9 0 0 0 3 4 0 0m m 上砧高 1 5 0 0 咖 下砧高 1 7 0 0 硼 2 4 本章小结 本章从不同的角度介绍了液压机不同的结构形式及不同机架类型的优缺点，对上传 动和下拉式快锻压机的结构形式及特点做了介绍，并且阐明了液压机的主要技术参数及 其设计方法和原则。 快锻压机预应力机架的分析与研究 3 下横梁优化设计 3 1 优化设计的思路 优化设计是在a n s y sw o r l ( b e n c h 下的d e s i 朗x p l o r e r 模块中进行的。d e s i g n x p l o r e r 中多目标优化技术的原理是根据优化参数的数目，利用蒙特卡罗抽样技术，采集设计参 数样点，计算每个样点的响应结果，并可利用二次插值函数构造设计空间的响应面云图 或响应曲线。因此，该模块在使用上具有一定的局限性，即优化参数的数目上限为2 0 上下横梁的结构比较复杂，一般制成箱型，把与立柱接触并安装拉杆的部位制成箱 体，并在受力较大和易产生应力集中的区域加设筋板，结构简图分别如图3 1 和3 2 所 示。因此，上下横梁的优化工作要分开进行。 图3 1 上横梁剖视图 7 r u 卜_ ，xy ，7 日 i ，睦。，l 刎| = 4 1 一 1 4 黝，； 图3 2 下横梁剖视图 下横梁的优化设计应在对机架的整体分析中进行。对机架进行有效元分析时，为了 尽可能的模拟出下横梁在实际工况下的受力状态，施加的载荷、约束数量较多，要实现 对下横梁的优化设计，首先要确定上横梁的结构尺寸，以便在对下横梁进行优化设计时 减少优化参数的数目。 8 0 m n 上传动快锻压机在工作时输出的最大力为8 0 m n ，输出力通过缸体的法兰作 用在缸体法兰与上横梁接触的环形面积上。在对机架进行整体分析的时候，这个作用力 是作为其中的一个载荷施加在上横梁上的。因此，要实现对下横梁的优化