龙门式压力机机身的有限元分析与优化.pdf

文章编号：1672—0121(201 o105—0049—03 龙门式压力机机身的有限元分析与优化 詹俊勇，黄建民，张锦义 (扬力集团精机研究所，江苏扬州225127) 摘要：对龙门式压力机机身进行静、动态有限元计算、分析。在此基础上对机身进行结构优化，并进一步 分析优化后的机身。比较原机身与优化后机身的计算结果，完成对优化方案的验证。 关键词：机械制造；优化设计；机身；压力机；有限元 中图分类号：TH123 文献标识码：B 1引言 龙门式压力机是半闭式压力机的一种，其机身 结构在传统半闭式结构的基础上增加了外侧板，并 在外侧板与内侧板之间采用横竖筋板焊接后形成箱 式结构，如图1所示。这种机身受公称力后角变形极 小，而且左右侧的箱式结构抗扭转能力更强，使得其 抗偏载能力比桥式结构更好，与闭式压力机“dz更接 近。近年来，已有众多压力机制造商投产，已经成为 当今主流的半闭式压力机机型『31。 龙门式压力机机身结构比较复杂，按照类比、改 进设计出来的压力机机身往往结构笨重，局部出现 应力集中，刚度不够等设计缺陷，且设计员尚无法预 图1龙门式压力机机身结构 收稿日期：2010—08—06 作者简介：詹俊勇(1983一)，男，硕士，从事高速压力机的设计研究 2 有限元模型的建立嘲 利用PLC设计的这套机械凸轮断链条检测程 序，功能可靠，适用广泛，满足压力机单次防连冲的 要求，其成本为零。不论是作为凸轮断链条的主要检 测手段，还是辅助检测手段，都值得推广应用。 【参考文献】 …1陈立定，吴玉香，苏开才，编．电气控制与可编程控制器．广州：华 知。通过计算机软 件对初步设计好 的机身进行有限 元分析，可以比较 准确地求解出机 身各部位应力分 布和变形状况。通 过有限元的分析 结果，结合相关的 设计标准，可以随 时修正压力机的 设计，做到精细化 设计。 南理工大学出版社。2001． 【2】刘茂银，梅碧舟．压力机控制系统中PLC的应用及设计．锻压装 备与制造技术，2007，42(3)：45-47． [3】3 杨祥根，韦 勇．电子凸轮控制器在机械压力机上的应用．锻压装 备与制造技术，2008，43(6)：52—56． Break Check and Anti Continuous Stroke of Chain in Single Mode based on PLC Controlled Cams LIU Na．DOU Lei (Xuzhou Metalforming Machine Group Co．，Ltd．Xuzhou 22 1 Abstract：By analysis of break cases of chain in different crank angle of to use PLC to check the chain break has been introduced in the text，which single mode．Besides，the way to design the general PLC controls procedures type of press as well as different models of press has been put forward． Keywords：PLC check；Cam chain；Press 机身模型是由机身图纸绘制而成，按照有限元 分析的要求对其进行适当的简化。机身材料普通碳 钢，材料性能参数见表1。 g-1机身材料基本参数 密度／kg／m 弹性模量／GPa 泊松比 屈服应力，MPa 破坏应力／MPa 7800 2l0 O．29 220 4oo 根据机身的结构特点选择适当的单元与网格密 度，如图2所示。 图2机身网格模型 3有限元静态分析 按照龙门式压力机实际工作时的载荷条件与边 界条件对压力机进行计算，得出其应力与变形的图 解，见图3、4所示。 由静态分析的结果可以看出： (1)给压力机机身加以4000kN的载荷，有限元 分析结果显示，机床满载时，机床整体应力在40MPa 以内，最大应力为162．19MPa，发生在机身工作台下 板与机身主板连接处，其他地方应力很小，有较大的 优化空间。 (2)压力机机身最大变形发生在机身前支撑上 部，变形量为0．541mm。机身前后支撑孔的最大变形 差值为0．1mm，这容易引起曲轴工作时的振动，影响 加工精度。 图5机身一阶模态 图6机身二阶模态 图7机身三阶模态 4有限元模态分析【7J 龙门式压力机在实际工作过程中侧壁的箱体容 易振动，发出“嗡嗡”的声响。同时机身后筋板也容易 发生振动，安装在后筋板上的卸荷套容易松动，这种 状态从静态分析上无法判断，所以应对机身结构进 行模态分析。由于压力机的行程次数较低，根据212程 计算的经验，应提取三阶模态。机身模态分析结果见 表2。 表2机身模态分析结果 阶次 频率值／Hz 振型 振型位移幅'[ff1．／mm l 26．845 机身沿 方向振动 0．269 2 40．786 后筋板沿z方向一阶振动 1．044 3 51．617 后筋板沿 方向二阶振动 1．612 由模态分析的结果可知，压力机机身前一阶固 有频率为26．845Hz，结合现场勘查情况，判定侧壁 的箱体噪声是由该阶振型与焊接质量缺陷所引起； 第二、三阶的振型都是后筋板沿 方向，容易引起后 筋板上卸荷套的振动。 5机身的优化及结果分析 针对龙门式压力机机身所存在的问题，结合机 床结构与加工、装配工艺，x,-j-压力机机身做出如下4-)t 化： (1)在工作台下板下加焊一块厚20mm的板，与 地角板上表面相接。这样可以有效解决工作台下板 与机身主板连接处的应力集中，同时环焊焊缝对于 机身y方向的振动有一定的减振效果。 (2)将主板厚度从50ram减薄到40mm，因为主 板处应力、变形都较小，而且主板对机身的刚度、强 度影响的灵敏度较小。 图8机身优化方案示意 贴板 加高 减薄 加厚 减薄 加厚 加厚 贴板 (3)将曲轴上部的链接前后支撑板的四根加强 筋的厚度从50ram，增加到60mm，以提高前后支撑 的刚度。 (4)将曲轴前支撑后前半加高到与机身顶部齐 平，同时将前支撑前贴板厚度加厚到与前支撑板齐 平，以增加前支撑的刚度。 (5)在安装卸荷套支撑板顶部贴焊一块60mm 的筋板，以控制压力机的振幅。 (6)将柱式外框架竖向筋板厚度加到25mm，横 向筋板厚度减薄到16mm。 对优化好的机身模型进行有限元计算，并将计 算结果与原模型进行对比，结果如表3、4、5、6所示， 完成对优化方案的验证。 表3原机身与优化后机身质量对比 表4原机身与优化后机身强度对J~h／MPa 计算／MPa 应力较大位置 原机身 优化后机身 最大应力 162．19 l16．96 工作台应力 28．O6 27．23 主轴孔前支承应力 31．72 28．oo 主轴孔后支承应力 40．O1 33．85 表5原机身与优化后机身变形对~h／mm 计算／ram 应力较大位置 原机身 优化后机身 最大位移 0．573 O．5l5 工作台变形量 0．403 0．373 前支承孔变形量 0．405 0．388 前后支承变形量 0．305 O．313 前后支承变形量差值 O．1 0．055 表6原机身与优化后模态分析结果对比 计算 频率与幅值 原机身 优化后机身 一阶固有频率IHz 26．845 26．940 一阶振型振幅／mm 0．269 0．263 二阶固有频率／Hz 40．786 41．351 二阶振型振幅／mm 1．044 0．429 三阶固有频率／Hz 51．617 51．834 三阶振型振幅／mm l_612 0．669 ———__． 51 。 文章编号：1672—0121(2010)05—0052—03 四辊型材卷弯机数控系统设计与开发 王国强 (长治钢铁(集团)锻压机械有限公司设计院，山西长治046011) 摘要：介绍了数控四辊型材卷弯机数控系统设计与开发过程，叙述了方案设计、硬件选型、数学模型建 立、软件编程等内容。 关键词：机械设计；数控系统；型材卷弯机；设计 中图分类号：TG315．7+1 文献标识码：B 1 引言 四辊型材卷弯机是以安装在轴线互相平行的轴 收稿日期：2010—05—28 作者简介：王国强(1973一)，男，工程师，从事卷板机、弯管机、校平机 控制系统的开发与设计 6结束语 (1)通过有限元的方法对龙门式压力机机身进 行静、动态分析，分析结果反映了原设计的不足之 处，同时对机床工作过程中的问题给予了验证。 (2)针对龙门式压力机机身所存在的问题，对压 力机机身做出一系列优化，并且对优化后的模型进 行进一步计算。 (3)通过对比原机身与优化后机身的分析结果 可以看出，优化后机身的强度与刚度以及动态特性 都较原方案有所提高，而且机身质量降低了约 500kg，优化效果明显。 (4)由于龙门式压力机机身结构复杂，同时需要 考虑加工、装配工艺等因素，很难将机身参数化建模 求最优解，所以优化尚是一个长期的过程。 【参考文献】 …何德誉．曲柄压力机[M】．北京：机械工业出版社，1987． [212 林道盛．锻压机械及其有限元计算[M】．北京：北京工业大学出版 上的四组辊模为主要工作零件，利用辊模的旋转运 动和位置变化，将金属型材如角钢、扁钢、槽钢、工字 钢、钢管、异形钢等在基本不改变截面特征情况下弯 曲成圆形、弧形或螺旋形等工件的设备。主要应用于 汽车、石油化工等行业。 通常三辊型材卷弯机的使用较为普遍，控制系 社，2o03． 【3]高伟，高小燕．半闭式压力机机身设计的探讨【J】．锻压装备与制 造技术，2009，44(2)：33—35． [4]詹俊勇，黄建民-JH21—63型压力机机身的有限元分析与结构 测试IJJ锻压装备与制造技术，2010，45(2)：61—63． [5]詹俊勇，高建和．正交实验与多元线性回归方法在开式压力机机 身优化设计中的应用【J]．机械工程师：20o9，(1 1)：23—25． 【6]许本文，焦群英极限振动与模态分析基础【M】．北京：机械工业出 版社．1998． [71叶亮，高建和，田万英，詹俊勇．激光切割机横梁的模态特性分 析[J1．扬州大学学报：自然科学版，2009，(2)：75—78． [8】詹俊勇，黄建民．SolidWorks导人实现ANSYS参数化建模【J】．金 属加工：冷加工，2010，(4)：71—72． 【9] Nie Shaomin，Zhaoxilu．Structure optimization of the 3D-frame of hydraulic Press，Proceedings of First International Conference on Research and Design of Metal Forming Machine，1989． [10】陈新．机械结构动态设计理论方法及应用[MI．北京：机械工业 出版社，1997．