THP11-10000液壓機機身結構檢測與分析

馮晶晶，畢大森，3，李 森

(1.天津理工大學材料科學與工程學院，天津 300384;2.天津市天鍛壓力機有限公司，天津 300142;3.天津理工大學天津市光電顯示材料與器材重點實驗室，天津 300384)

0 前言

THP-10000熱模鍛液壓機由預緊框架式結構的主機、液壓控制系統(tǒng)、電控及數(shù)字顯示系統(tǒng)、頂料裝置、墊板隔熱加熱裝置等部分組成。其工藝范圍寬廣，適用于各種模具的鍛造成形。在制件成形過程中，壓機機身受制件成形的變形抗力作用，機身發(fā)生變形影響壓制件的精度。要保證制件的精度，得到壓機機身剛度的真實數(shù)據(jù)，需要對其進行剛度檢測。

1 壓機剛度檢測

1.1 檢測設備

對THP-10000熱模鍛液壓機進行剛度檢測采用FARO公司生產的Laser Tracker X V2絕對激光跟蹤儀。如圖1所示，檢測設備具體參數(shù)見表1。在整機剛度相關的重要檢測點用跟蹤激光球進行標識，絕對跟蹤儀利用激光對標識點位置進行精確測量，捕捉測量點在不同工況下的位移，獲得所測特征點的變形。

圖1 Laser Tracker X V2的絕對激光跟蹤儀及激光球Fig.1 FARO Laser Tracker X V2 and laser receiver

表1 FARO Laser Tracker X V2絕對激光跟蹤儀技術參數(shù)Tab.1 Technical parameters FARO Laser Tracker X V2

1.2 測量工況

結合液壓機變形特點，選擇實驗測量點，具體分布如圖2所示。點1～5位于下橫梁上平面邊緣處，點6～10位于上橫梁下平面邊緣處，點27～28分別位于立柱上，通過檢測點分別能夠檢測出加載時上橫梁、下橫梁、立柱在高度方向(Z向)的變形情況。

圖2 各主要結構測量點示意圖Fig.2 Testing points on different parts

檢測為定壓控制的方式，所選擇的壓力等級分別為0 MPa、5 MPa、10 MPa、17.5 MPa、27.5 MPa、31.5 MPa，分別在這六種情況下對壓機進行測量。測量前將壓機左右、前后方向分別定義為空間坐標下X、Y軸，壓機的高度方向定義為空間坐標下Z軸。而壓機變形對于精度的影響主要取決于高度方向的變形情況，因此，主要處理Z軸數(shù)據(jù)。ΔZx表示Z向實際變形，是指在同一壓力等級下該特征點絕對變形與該結構件上選定為基準點的特征點的絕對變形之差。THP11-10000液壓機剛度檢測現(xiàn)場如圖3所示。

1.3 檢測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

(1)各測量點變形實側值。以各測量點之間相對距離為X坐標，實際變形為Y坐標，得到表2、3。支柱滿載變形:0.9101 mm;壓強31.5 MPa。

圖3 檢測現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.3 Testing photos

表2 下橫梁不同壓強下各點X方向坐標及變形ΔZx實測值Tab.2 X direction coordinate and deformation value ΔZxof bottom beam at different pressures

表3 上橫梁不同壓強下各點X方向坐標及變形ΔZx實測值Tab.3 X direction coordinate and deformation value ΔZxof upper beam at different pressures

(2)各主要結構變形特性曲線。以各測量點之間相對距離為X坐標，實際變形為Y坐標，如圖4、圖5所示，分別對應表2、3中數(shù)據(jù)。

由圖4、圖5可知，液壓機上下橫梁在加載時沿拋物線形狀變形，變形量隨壓機壓強增大而增加。根據(jù)曲線形式，可以采用如y=Σ(a1xn+a2xn－1…+anx)方程對液壓機變形規(guī)律進行非線性擬合。

2 有限元仿真分析

2.1 有限元模型

通過SolidWorks建立THP11-10000液壓機機身三維模型，其中建模時對明顯不影響機身剛度、強度的局部結構如螺釘孔、銷孔、圓角、淺槽等進行了簡化。機身主體部分左右寬度5 000 mm，總高度13 335 mm。三維模型在Workbench中按照實際工作情況對油缸進行加載，如圖6所示，各部件材料參數(shù)見表4。

表4 材料性能參數(shù)Tab.4 Material performance parameters

2.2 邊界條件

(1)載荷邊界條件。載荷分兩步施加，對機身施加預緊力，以1.1倍公稱力施加拉桿預緊力，大小為2.75×107 N，按照實際工作情況油缸所加載荷為31.5 MPa，并如圖4所示。

圖6 THP11-10000液壓機機身網格劃分和模型加載情況Fig.6 Meshing and loading situation of the THP11-10000 hydraulic press

(2)位移邊界條件。在壓機下橫梁安放四個支撐墩，約束支撐墩X、Y、Z方向自由度。

2.3 綁定和接觸設置

按照實際工作情況對部件間接合面分別設置接觸摩擦和綁定，如柱塞與缸體、上下橫梁與支柱之間、上下加熱板與砧子之間為接觸摩擦;壓機加載工作過程中不發(fā)生分離的面如拉桿螺栓與上下橫梁接觸面施加綁定約束。

2.4 壓機機身變形有限元模擬結果

按照以上設定，機身有限元模擬結果如圖7～10所示。

圖7 上橫梁變形云圖Fig.7 Deformation of upper beam

2.5 檢測實驗與有限元模擬結果對比分析

將有限元模擬結果與檢測實驗數(shù)據(jù)進行對比，如表5所示。

表5 模擬結果與剛度檢測結果對比分析Table 5 Comparison of testing and simulation results

由于在模擬時材料為各向同性的理想化模型，而焊接板材物理性能不可能完成達到這種效果，必然會存在一定誤差，上、下橫梁的對比誤差均小于1%，整體上數(shù)據(jù)非常接近，說明液壓機機身檢測數(shù)值是合理的。

3 上下橫梁撓度變形非線性方程擬合

根據(jù)撓度變形與橫梁上載荷作用點坐標位置的關系，建立如圖11所示的橫梁彎曲變形載荷示意圖。

圖11 橫梁彎曲變形載荷示意圖Fig.11 Bending deformation of the beam

式中，F(xiàn)為載荷大小，N;ω為撓度變形，mm;E為材料彈性模量，MPa;I為梁的慣性矩;x為梁上載荷作用點空間坐標。

由AC段和CB段撓度變形方程可知，橫梁撓度變形是關于坐標位置的三次冪方程，因此選擇作為理論回歸模型。使用Matlab對橫梁數(shù)據(jù)進行擬合，處理結果見表6、表7。

表6 下橫梁擬合優(yōu)度及擬合參數(shù)估計值Tab.6 Fitting parameters and goodness of bottom beam

表7 上橫梁實測擬合優(yōu)度及擬合參數(shù)估計值Tab.7 Fitting parameters and goodness of upper beam

根據(jù)擬合優(yōu)度SSE(和方差)及R-square(相關系數(shù))這兩項指標，SSE值接近于0表明模型選擇及擬合的好;R-square接近于1表明方程中所選變量對f(x)具有較強的解釋能力，上下橫梁的非線性曲線回歸顯著。

壓機在滿載情況時，下、上橫梁撓度變形方程:

4 結論

(1)THP11_10000熱模鍛液壓機的變形為2.054 3 mm，整機高度13 335 mm，剛度為1/6 491小于1/5 000。剛度滿足實際生產時的精度要求，驗證液壓機機身結構設計的合理性。

(2)上下橫梁的非線性曲線回歸顯著，上述撓度變形擬合方程可以計算上下橫梁任意位置空間點的變形值，進而計算整機的有效變形及剛度。

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