6 300 kN伺服直驱螺旋压力机整体机身结构优化分析.pdf

6 300 kN伺服直驱螺旋压力机整体机身结构优化分析*王宏伟，梁伟立，杨莎，董秀丽，米新征（天津市天锻压力机有限公司，天津300230）摘要：开发了适应新一代伺服直驱螺旋压力机装备的高刚度、高精度和高速高效等特性要求的整体机身新结构，对该新结构进行了强度和刚度仿真分析，获得了各主要构件的应力和变形分布规律，并与传统机身结构进行了仿真对比。结果表明，整体机身新结构关键部位应力取值、机身纵向及扭转变形值均显著优于传统机身结构，并进行了6 300 kN伺服直驱螺旋压力机样机试制和小批量试生产，验证了新结构的先进性，为同类设备的研发设计提供了参考。关键词：螺旋压力机；整体机身新结构；仿真分析；样机试制中图分类号：U466文献标识码：A文章编号：1001-2354（2023）S1-0134-05Optimization analysis of the integral fuselage structure of6 300 kN servo direct drive screw pressWANG Hongwei，LIANG Weili，YANG Sha，DONG Xiuli，MI Xinzheng（Tianjin Tianduan Press Group Co.,Ltd.,Tianjin 300230）Abstract：A new structure of the integral fuselage that adapts to the characteristics of high rigidity,high precision,high speedand high efficiency of the new generation of servo direct drive screw press is developed.The strength and stiffness simulation analy-sis of the new structure is carried out,the stress and deformation distribution laws of each main component are obtained.The simu-lation comparison with the traditional fuselage structure shows that the stress value of key parts of the new fuselage structure,thelongitudinal and torsional deformation values of the fuselage are significantly better than the traditional fuselage structure.And thetrial production of 6 300 kN servo direct drive screw press prototype and small batch trial production were carried out,which veri-fied the advanced nature of the new structure and provided a useful reference for the research and development and design of simi-lar equipment.Key words：screw press;new structure of the integral fuselage;simulation analysis;prototype trial production*收稿日期：2023-03-16；修订日期：2023-05-18由于模锻工艺加工制造的零件具有高强度和高韧性的特点，且兼具节能、节材和成本较低的优势，因此，在机械装备、航空航天、汽车工业和兵器化工等重要工业领域占据着举足轻重的地位。螺旋压力机作为目前国内大量使用的主流模锻设备，经历了摩擦压力机、高能螺旋压力机和电动螺旋压力机的发展历程1-2。2019年，全球螺旋压力机市场规模达到了12亿元，预计2026年将达到15亿元，年复合增长率达到3.3%。随着市场对设备综合性能，尤其是精度和可靠性方面的要求越来越高，模锻压力机正在向着高自动化、高度柔性、高精度、高速高效、复合化和节能降噪等方向发展。同时，伴随着伺服电机和高精度伺服控制技术的进步，伺服直驱螺旋压力机应运而生，成为当前模锻设备的主要发展方向3-4。以6 300 kN伺服直驱螺旋压力机为例进行研究，与国内同类设备相比，该压力机滑块打击速度可达到750800 mm/s，这就对机身结构刚度强度提出了更高的要求5，表1所示为本台压力机的主要技术参数。与液压机及连杆类机械压力机相比，螺旋压力机快速打击参数额定打击力/kN最大打击力/kN滑块扭矩/（N m）滑块打击速度/（mm/s）工作台尺寸/（mmmm）（左右前后）数值6 30010 000357008001 2001 200第 40 卷 增 刊 12023 年 7 月Vol.40S1Jul.2023机械设计JOURNAL OF MACHINE DESIGN表1压力机主要技术参数DOI:10.13841/ki.jxsj.2023.s1.0092023年7月的设备特性会进一步加大对机身机械结构综合性能的考验6，为确保机身整体强度、刚度、稳定性及产品几何精度，对其进行了整体式机身有限元强度、刚度仿真分析及结构对比优化。1仿真方案及模型的建立1.1几何模型的建立压机机身采用整体式结构，机架包含机身主体、滑块、主驱动丝杠副、过渡垫板和简化模具等，表2为几何模型各部件材料的性能参数。合理的几何模型简化能够在保证分析计算准确度的基础上使网格划分和节点迭代计算过程大为简化，从实际结构抽象得到的几何模型在外形、构造及局部结构等方面可能与实际结构存在一些合理化的差异。在该研究中，为简化结构，现作出如下假设2：（1）假设机身和滑块等几何体中所有构件均为各向同性且为完全弹性体；（2）对压机机身整体机械性能影响较小的局部结构进行适当简化，仅使用压力机力学主承担构件来建立机身的简化几何模型。在压力机整体机身结构方面，国内压力机厂家仍沿用了传统的整体机身固有结构，如图1a所示，此类机身结构存在板材数量较多、焊接繁琐、机身内侧四角焊缝受力较为严重和机身主承力板材布置与机身受力应力流传递路径吻合度不高等诸多问题，以上因素导致该类整体机身存在设计-制造隐患，服役后寿命不足，亟需变革优化，开发适应新一代伺服直驱螺旋压力机装备高刚度、高精度和高速高效等特性的整体机身新结构7-8。如图 1 所示，图 1a 为传统的多平板拼接结构简化机身模型，图1b为优化升级后的新型整体机身结构简化模型，在优化升级后的整体机身结构中，根据该机型实际工况及工作状态下的机身应力流传递路径，主要进行以下优化：（1）机身内侧四角设计了大弯曲半径的模压弯板，用以彻底解决内侧四角焊缝受力且应力集中严重的痼疾；（2）机身顶部设计了抗弯载荷板，用于承担上梁弯曲应力，提高机身刚度，以提高伺服直驱-丝杠副传动系统的传动精度保持性；（3）机身内侧四角模压弯板后增设了角弯矩载荷板，用以抵抗整体机身特有的角弯矩，与角弯矩应力流传递路径高度吻合；（4）机身台面下方设置了主承压板，用以承担压机工作时对工作台面的压应力。1.2仿真方案的确定螺旋压力机机身除承受主吨位打击力外，还需承受驱动丝杠副带来的扭转力矩，扭转力矩按下式计算：M=DPtan(+)/2式中：D螺杆直径；P公称压力；螺旋角；当量摩擦角。依此建立驱动丝杠副-机身-模具耦合模型。1.2.1网格划分由于耦合模型构件众多的复杂性，综合考虑计算精度和重点分析构件，对于驱动丝杠副、模具和垫板等外形较为规则的构件，优先采用20节点的2阶六面体单元网格划分，对于其他外形不规则的构件，采用10节点的2阶四面体网格划分。使用patch conforming算法，对倒角等形状突变处进行细化，通过建立局部坐标系并采用sphere of influence 的方法对机身内侧四角处进行局部细化，以确保计算的准确性。1.2.2接触及边界条件的设定按照实际工况，模型总体采用不同摩擦因数的Frictional约束来定义接触对。采用 Fixed Support 命令完全约束 4 个地脚螺栓处的自由度。主驱动丝杠和杠母分别按照最大打击力全压施加反向载荷，滑块施加扭转力矩。模型负载值分配如表3所示，有限元模型如图2所示。部件名称机身、滑块工作台主螺杆主螺母模具材料Q235B35钢35CrMoVZCuZn25A16Fe3Mn3Cr2W8V弹性模量/GPa206209210105199泊松比0.30.310.270.250.27构件受力主驱动丝杠和螺母最大打击力/kN滑块扭转力矩/（N m）载荷值10 00035表2部件材料的性能参数（a）优化前（b）优化后图1优化前后的压机模型表3模型负载值分配抗弯载荷板模压弯板角弯矩载荷板主承压板王宏伟，等：6 300 kN伺服直驱螺旋压力机整体机身结构优化分析-135机 械 设 计第40卷增刊12模拟结果处理及分析2.1应力分析据c p=lim/s，其中，c为结构件工作应力，p 为结构件许用应力，lim为材料的极限强度，s为安全系数。对于机身和滑块等Q235结构钢焊接件，lim=ReL=225 MPa，其中ReL为材料的屈服强度，取安全系数s=1.5，得许用应力 p=150MPa1。2.1.1上横梁应力机身上横梁外部等效应力分布如图3所示。机身优化前，上梁上面板主驱动丝杠安装圆孔位置最大应力为135 MPa，前后面板上R角最大应力为142 MPa；机身优化后，上梁上面板圆孔最大应力为110 MPa，为原结构的81%；前后面板上R角最大应力为76 MPa，为原结构的53%。机身上横梁内部等效应力分布如图4所示。机身优化前，上梁上面板主驱动丝杠安装圆孔位置最大挤压应力为 179MPa，上梁下面板与侧立板焊缝处合成应力为111 MPa；机身优化后，上梁上面板主驱动丝杠安装圆孔位置最大挤压应力为143 MPa，为原结构的80%；上梁下面板与侧立板过渡位置（即模压弯板处）合成应力为84 MPa，为原结构的76%。2.1.2下横梁应力机身下横梁等效应力分布如图5所示。优化前，下梁顶杆孔局部挤压应力为 118 MPa，前后面板下R角最大应力为 140MPa；优化后，下梁顶杆孔局部挤压应力为114 MPa，为原结构的96%；前后面板下R角最大应力为91 MPa，为原结构的65%。2.2机身变形结合压机使用工况，取压机变形许用值 f=1.510-7Pmm，其中，P为压机最大成形力（N），在本例中压机最大成形力为110-7N，因此，该压机的最大变形许用值为1.5 mm4。2.2.1机身纵向变形机身纵向变形如图6所示。机身优化前，最大打击力及扭矩综合作用下纵向变形为1.49 mm；机身优化后，最大打击力及扭矩综合作用下纵向变形为1.23 mm，为原结构的83%。2.2.2机身扭转变形综上，整体机身新结构总体应力取值均在许用应力范围内；机身纵向及扭转变形值均显著小于通用形变许用值，表明图6机身纵向变形（a）优化前（b）优化后图2有限元模型（b）优化后图3机身上横梁外部等效应力分布（a）优化前（b）优化后图4机身上横梁内部等效应力分布（a）优化前图5机身下横梁等效应力分布（a）优化前（b）优化后-1362023年7月王宏伟，等：6 300 kN伺服直驱螺旋压力机整体机身结构优化分析此机身新结构的整体刚度较传统结构有较大提升，符合新一代伺服直驱螺旋压力机装备高刚度、高精度和高速高效等特性需求。3机身疲劳寿命评估对比疲劳断裂是金属结构失效的主要形式之一，统计资料表明，在金属结构失效中，约80%以上是由疲劳引起的。研究材料的疲劳行为及影响因素是结构或构件疲劳强度设计的基础。工程结构和机械装备在服役中所受到的载荷通常是不规则的且各具特点，如飞机结构“滑行-飞行-着陆”的地-空-地循环载荷、车辆在路面上行驶的随机载荷、海洋类结构的风浪载荷等。载荷谱类型可分为常幅谱、块谱及随机谱。在文中，压力机所受载荷应力比为0的脉动循环载荷，即压力机机身在实际工况中始终处于应力比为0的变应力脉动循环载荷状态。因此，在静力学分析的基础上对机身主体结构进行疲劳寿命评估是非常有必要的。机身主体框架初始参数信息如表4所示。机身在脉动循环载荷状态下的变应力特性可以用最大应力max、最小应力min、平均应力m、应力幅a、应力比r等5个基本参数来描述，其中：平均应力m=max+min2；应力幅a=max-min2。3.1弯曲疲劳极限的影响因素影响弯曲疲劳极限的因素主要有：（1）零件外形的影响实际零件常有外形的突变，如键槽、横孔、轴肩和螺纹等，这将引起应力集中，从而促进疲劳裂纹的扩展，降低疲劳强度，不同的材料，对应力集中的敏感性不同。强度愈高的材料，对应力集中愈敏感；（2）零件尺寸的影响试验结果表明：零件的尺寸愈大，其疲劳极限愈低，这主要是因为尺寸愈大的零件，其材料存在的缺陷就愈多；同时，表面积愈大，其表面形成疲劳源的概率就大；（3）零件表面质量的影响零件在弯曲或扭转作用时，表层应力最大，疲劳裂纹也多发生于表层，表面质量对疲劳裂纹的发展有很大影响。不同的表面加工方法、不同的表面粗糙度，以及表面擦伤等将引起不同的应力集中。降低表面粗糙度有利于提高疲劳强度。材料的静强度愈高，加工质量对零件的疲劳极限的影响愈显著。另外，零件经过淬火、渗碳和渗氮等热处理或化学热处理后，表层将得到强化；零件经过滚压和喷丸等机械处理后，表层会形成预压应力，可以减小容易引起裂纹的工作拉应力，这些都会提高零件的疲劳极限。考虑以上因素，弯曲疲劳极限的影响因素归纳为绝对尺寸影响系数、加工等效系数、表面质量系数和应力集中系数k等，如表5所示。在文中，结合机身主体框架初始参数信息、服役工况等，查表可知，绝对尺寸系数=0.78（按照碳钢板厚70 mm取值），等效系数=0.215（按照弯曲应力、热轧状态取值），表面质量系数=0.75（按照未加工取值），应力集中系数k=1.7。3.2机身优化前疲劳寿命评估优化前机身前，面板R角位置合成应力约为142 MPa，此处局部承受拉应力，为整体机身开裂危险部位。压机服役工况按 3次/min，16 h/天，300天/年计算，则工作次数为86.4万次/年，5年为432万次。机身疲劳估计如下：最小拉应力min=0工作时最大拉应力max=142 MPa应力幅a=max-min2=71 MPa平均应力m=max+min2=71 MPa弯曲对称循环疲劳极限：-1=0.27(ReL+Rm)=0.27(205+370)=155.25 MPa弯曲脉动循环疲劳极限：0=1.33-1=1.33 155.25=206.48 MPa静强度安全系数：S=ReLa+m=205142=1.44 S=2，故危险。疲劳强度安全系数（按无限寿命计算）：S=0ka+m=206.481.70.78 0.75 71+0.215 71=0.93 S=1.5，故危险。疲劳强度安全系数（按有限寿命5年计算）：循环基数N0=107，零件应力循环次数N为 4.32106次，此时，寿命系数为：KN=N0Nm=1074.32 1069=1.098（m为材料常数，一般钢制序号12345因素绝对尺寸影响系数加工等效系数（与应力种类有关）表面质量系数强化表面的表面状态系数应力集中系数k举例说明板厚、壁厚抛光、磨削、车削、轧制、锻造磨削、车削、未加工淬火、渗氮、喷丸、辊压、焊缝表面冲击台肩、退刀槽、键槽、孔参数材质厚度/mm屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa加工方式受力方式是否有预紧参数信息Q235钢70205370焊接弯曲拉应力无表4机身主体框架初始参数信息表5弯曲疲劳极限的影响因素-137机 械 设 计第40卷增刊1零件受弯曲应力可取9）。有限寿命时的疲劳强度安全系数：KNS=1.0980.93=1.02 S=2，故安全。疲劳强度安全系数（按无限寿命计算）：S=0ka+m=206.481.70.78 0.75 42+0.215 42=1.58 S=1.5，故安全。综上所述，经机身疲劳寿命评估对比，机身优化前，其疲劳寿命评估不满足5年有限寿命要求，机身优化后，其疲劳寿命评估满足无限寿命。4样机试制及刚度测试由于有限元分析结果的准确程度受所建立仿真模型及边界条件与设备实际工况、设备实际使用工艺的吻合度影响较大，同时,简化处理与诸多影响因素的复杂性均可能导致有限元分析结果与实际试验结果存在一定程度的差异，因此，通过物理试验进一步进行验证，并与仿真结果进行对标，就显得尤为重要。有限元分析结果显示，在本压力机大型结构件中，下横梁变形最大，故在此针对下横梁纵向变形进行试验验证。这里采用灵敏系数大、机械滞后小的半导体应变片对齐进行测试试验。图8为制造完成后压机下横梁纵向变形量测试方案示意图。对下横梁上面板进行检测取点，得到的实际变形量检测值略大于有限元分析值，误差率约为5.2%。原因来自两个方面：其一为机身在实际制造过程中板材物理性能及结构件焊接质量的控制；其二为有限元模型与实体机身在局部结构及边界条件设定上存在差异。在前期理论计算及有限元仿真的基础上，进行了样机试制，并进行了小批量锻造物理试验，结果表明，设备刚度、设备工作精度和锻件控形控性水平相比于采用传统机身结构的同类设备均有明显提升，如图7和图8所示。5结论（1）通过对6 300 kN伺服直驱螺旋压力机整体机身进行主驱动丝杠副-机身-模具耦合有限元分析，可以看出，整体机身新结构关键部位应力取值、机身纵向及扭转变形值均显著优于传统机身结构，符合新一代伺服直驱螺旋压力机装备高刚度、高精度、高速高效等特性需求。（2）研制了全新机身结构的新一代6 300 kN伺服直驱螺旋压力机，设备刚度、设备工作精度、锻件控形性能水平相比于采用传统机身结构的同类设备均有明显提升，对螺旋压力机装备领域同类产品的设计具有一定指导意义。参考文献1 熊晓红，陈平.伺服直驱螺旋压力机的研究与应用 J.锻压装备与制造技术，2018，53（3）：20-24.2 孙友松，李明亮，魏航.螺旋压力机发展综述 J.锻压装备与制造技术，2005（2）：18-21.3 尤新.浅析直驱式数控节能电动螺旋压力机设计 J.中国设备工程，2023（2）：134-136.4 Apachanov A S，Rud A V，Belousov K Y.Modeling of the motion claymass in the screw channel of the screw press C/Procedia Engineer-ing，2016，906-910.5 Kiselev B R.Enhancing the reliability of the screw-nut friction coupleof a friction screw press for refractories J.Refractories and IndustrialCeramics，2006，47（1）：21-23.6 张元良，庄云霞，邢吉柏.电动螺旋压力机的研究与发展 J.锻压装备与制造技术，2008（1）：12-14.7 刁洁，董建虎，李强，等.螺旋压力机打击能量及打击力测试方法探讨 J.重型机械，2003（5）：28-31.8 杨雪春，卢怀亮，杨国泰，等.离合器式螺旋压力机的冷击力分析J.重型机械，2002（6）：25-27.作者简介：王宏伟（1986），男，高级工程师，工学硕士，研究方向：大型装备结构设计及仿真。E-mail：whw_图7下横梁台面纵向变形量测试图86 300 kN伺服直驱螺旋压力机样机应变片下横梁-138