□ 張宏洲 □ 程 波

洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

液壓機是利用液壓傳動技術(shù)進行壓力加工的設(shè)備，是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備。流體運動的特性，即工作平穩(wěn)、振動和噪聲較小，具有過載保護性，易于大行程、大空間、大負載工作，運行速度和負載力平穩(wěn)可調(diào)，這些特點優(yōu)于機械等其它方式傳動。液壓機廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)的壓力加工：如汽車、家電、航空覆蓋件等金屬薄板件的沖壓拉伸成型加工；鍛壓設(shè)備中的熱模鍛成型、自由鍛造制坯成型等金屬機械零件的成型加工；鋼鐵冶金行業(yè)的型鋼、型材、管、棒材等黑色和有色金屬擠壓和拉伸成型；粉末制品及非金屬行業(yè)的磁性材料、粉末冶金、橡膠制品、塑料制品、木制品板材、型材等的壓制成型；以及其它的輪軸壓裝、彎曲校直、校正、塑封、壓印等加工。隨著新工藝和新材料的發(fā)展，更多的領(lǐng)域?qū)V泛地應(yīng)用各種功能的液壓機設(shè)備，因此，對其深入的研究具有重要意義。

1 液壓機的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

液壓機一般由本體及液壓系統(tǒng)兩部分組成。常見的液壓機本體結(jié)構(gòu)為三梁四柱式，其簡圖如圖1所示。它由上橫梁、下橫梁及動梁組成稱為“三梁”，“四柱”為4根立柱。通過16個螺母將它們組合在一起，形成一個框架結(jié)構(gòu)，承受全部的載荷。工作缸固定在上橫梁上，工作缸內(nèi)裝有工作柱塞，它與動梁為球型鉸接，動梁以4根立柱為導(dǎo)向，通過提升活塞和工作柱塞在上、下橫梁之間往復(fù)運動。在動梁的下表面上，一般固定有上模（上砧），而下模（下砧）固定于下橫梁上的工作臺面。提升缸固定于上橫梁上，提升活塞固定于動梁上。當(dāng)動梁下降時，工作缸通入高壓液體，兩側(cè)提升起到平衡下壓的作用，高壓液體推動工作柱塞，工作柱塞推動動梁及上模下行，使工件在上、下模之間產(chǎn)生塑性變形，完成一個下壓動作?；爻虝r，工作缸泄壓，高壓液體進入提升缸下腔，推動提升活塞向上運動，帶動動梁回到原始位置，完成一個工作循環(huán)。

▲圖1 液壓機本體結(jié)構(gòu)簡圖

在我國一些基礎(chǔ)行業(yè)，如鍛造、鋼鐵冶金、機械制造及航空航天業(yè)等，廣泛應(yīng)用著各種液壓機，主要為一些常規(guī)典型液壓機，如自由鍛造液壓機、模鍛液壓機、多向模鍛液壓機、通用萬能液壓機、擠壓、拉伸、校正、穿孔液壓機等。早期的小型液壓機多采用C型和四柱式結(jié)構(gòu)，而大中型液壓機均采用三梁四柱，該結(jié)構(gòu)是液壓機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，一直到現(xiàn)在還保持著主導(dǎo)地位。另外，20世紀90年代后，隨著產(chǎn)品工藝和技術(shù)的發(fā)展，大中型液壓機結(jié)構(gòu)形式趨向多樣化，出現(xiàn)了 “缸動”、“雙柱下拉”、“雙柱上拉”、“四柱下拉”、C 型片式組合框架結(jié)構(gòu)、O型牌坊式鋼絲纏繞式等多種結(jié)構(gòu)形式。在眾多結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)了一種新型的主流式設(shè)計結(jié)構(gòu)，即預(yù)應(yīng)力整體框架形式。

2 預(yù)應(yīng)力整體框架結(jié)構(gòu)形式

目前，隨著新工藝、新材料、新技術(shù)的不斷更新、發(fā)展，大型液壓機的結(jié)構(gòu)也不斷完善和發(fā)展，現(xiàn)在新型設(shè)計的大型液壓機的主體均采用預(yù)應(yīng)力整體框架結(jié)構(gòu)，它與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別。傳統(tǒng)的液壓機三梁四柱式結(jié)構(gòu)普遍采用的是局部預(yù)緊框架結(jié)構(gòu)，立柱多使用圓形，其既作為機架又作為拉桿，還要作為動梁的導(dǎo)向體，同時，拉桿承受滿負載的不規(guī)則的脈動軸向拉力，這種交變的脈動力增幅越大，對設(shè)備損壞也越大。當(dāng)發(fā)生偏心壓制時，還要承受動梁的橫向推力和彎矩，以及由上、下梁變形而作用于鎖緊螺母產(chǎn)生的彎矩，因而在加載和卸載的瞬間會產(chǎn)生劇烈的晃動和振動，其受力條件十分惡劣，立柱成為機構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié) ?，F(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力整體框架結(jié)構(gòu)將立柱和拉桿分離，改變原來的復(fù)合受力狀況。導(dǎo)向和預(yù)緊分離，立柱具有導(dǎo)向功能，并實現(xiàn)可調(diào)性；拉桿具有預(yù)緊作用，并可實現(xiàn)多拉桿預(yù)緊。這樣就提高了框架的整體剛性、抗疲勞強度、承載能力和穩(wěn)定性，使各個構(gòu)件的使用壽命延長，降低了設(shè)備維護費用和壽命成本。拉桿承受的循環(huán)脈動力的幅值，可以降低到原來的幾分之一，大大改善了拉桿的受力狀態(tài)，減少了拉桿出現(xiàn)疲勞斷裂的現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力整體框架的典型結(jié)構(gòu)形式見圖2。

預(yù)應(yīng)力整體框架液壓機主要由拉桿 、立柱 、下梁、螺母 、上梁組成一個整體框架，其主要結(jié)構(gòu)單元是立柱和拉桿，立柱和拉桿的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能對整體框架的形成具有關(guān)鍵的作用。

首先，對立柱和拉桿的力學(xué)性能進行研究與分析，預(yù)應(yīng)力整體框架式液壓機的特點是，通過上梁和下梁的鎖緊螺母鎖緊拉桿，預(yù)先給上梁、下梁、立柱形成的整體框架施加一個預(yù)緊力，使整個液壓機框架體處于預(yù)緊狀態(tài)，產(chǎn)生一定的預(yù)緊變形。這個預(yù)緊力要比工作負荷力大，液壓機整體框架處于工作狀態(tài)時，工作負荷會將拉桿繼續(xù)拉長，而此時立柱會處于恢復(fù)變形狀態(tài)，即壓縮變形減少，立柱的受力會大大減少，直到達到最大負荷，仍保持一定的殘余預(yù)緊力，可保證液壓機整體框架的穩(wěn)定性。此時拉桿的受力狀況為拉伸變形，在整個工作負荷中，拉桿僅產(chǎn)生小幅的脈動拉伸變形，與傳統(tǒng)的拉桿受力狀況完全不同，大大延長了拉桿的使用壽命。在整個預(yù)應(yīng)力整體框架受力過程中，拉桿在整個過程中始終處于受拉的狀態(tài)，產(chǎn)生拉長變形。立柱則始終處于受壓的狀態(tài)，產(chǎn)生壓縮變形。立柱和拉桿的受力和變形見圖3。

圖3中參數(shù)為：Pf為工作負荷；P1為預(yù)緊力；P2為拉桿在最大工作負荷時的最大負荷力；P3為拉桿在開縫時的最大負荷力；P4為拉桿的相對剛度負荷力；P5為立柱的相對剛度負荷力；P0為立柱在最大工作負荷時的殘余預(yù)緊力；Pa為拉桿在工作負荷時的動荷振幅負荷力 ；λ1為拉桿在預(yù)緊力下的變形量；λ2為立柱在預(yù)緊力下的變形量。

▲圖2 預(yù)應(yīng)力整體框架結(jié)構(gòu)

▲圖3 力與變形圖

3 預(yù)應(yīng)力體系的計算

預(yù)應(yīng)力整體框架液壓機的體系關(guān)鍵是拉桿和立柱，因此對拉桿和立柱進行強度和剛度分析是整個體系建立的關(guān)鍵。而整個體系的整體剛度和穩(wěn)定性的保障，就在于其立柱和拉桿的材料性能、結(jié)構(gòu)形狀 、結(jié)構(gòu)尺寸等因素的選擇和確定。特別是有高精度要求的液壓機，立柱既是整體框架的承載連接件，又是整個液壓機的動梁移動的導(dǎo)軌，因此對立柱的結(jié)構(gòu)和受力變形的控制直接影響到預(yù)應(yīng)力整體框架液壓機的性能參數(shù)及最終產(chǎn)品的精度等級。

對于預(yù)應(yīng)力體系的計算，主要是對預(yù)緊力的選取、立柱和拉桿最大負荷力、最大變形、強度和剛度校核、整體框架開縫的校核等計算。以下僅對預(yù)緊力的選取、立柱和拉桿最大負荷力、整體框架開縫的校核進行推導(dǎo)計算，其余的可以參考相關(guān)資料。立柱和拉桿的力的變形與計算可以從圖3中進行相應(yīng)的推導(dǎo)，圖中λ1代表拉桿的曲線變形量，λ2代表立柱的曲線變形量。所有的計算條件均假設(shè)上、下梁為絕對剛體，則圖3中參數(shù)可以得出以下公式。

首先是確定工作負荷Pf，得出整體框架的預(yù)緊力P1，由經(jīng)驗公式得：

式中：ξ為預(yù)緊系數(shù)，取 ξ=1.2～1.5。

對立柱和拉桿剛度C進行計算：

式中：E為彈性模量；L為對應(yīng)的長度尺寸；S為截面積，對應(yīng)的拉桿和立柱截面積為S1和S2；從式（2）可分別得出相應(yīng)的拉桿和立柱剛度C1和C2。

拉桿和立柱的相對剛度負荷力：

拉桿在最大工作負荷時的最大負荷力：

立柱在最大工作負荷時的殘余預(yù)緊力：

拉桿在工作負荷時的負荷曲線如圖3，近似為正弦曲線，其動荷振幅負荷力：

拉桿在開縫時的最大負荷力P3的計算，可以由式（6）和式（4）推出，當(dāng)立柱在最大工作負荷時的殘余預(yù)緊力P0=0時，將式（4）中的Pf用P3替換，則有：

拉桿和立柱在預(yù)緊力下的變形量：

式中：n為立柱或拉桿的數(shù)量。

4 預(yù)應(yīng)力體系主要單元的結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力整體框架液壓機的主要單元為立柱和拉桿，一般拉桿的結(jié)構(gòu)比較簡單，現(xiàn)在的高精度液壓機多采用單拉桿或多拉桿結(jié)構(gòu)，單拉桿指一套立柱對應(yīng)一根拉桿，多拉桿結(jié)構(gòu)為一套立柱使用多根拉桿，一般多拉桿結(jié)構(gòu)的拉桿分布以對稱布置或均布。拉桿的形狀比較簡單，多采用類似于雙頭螺柱的結(jié)構(gòu)。而立柱的結(jié)構(gòu)相對來說較復(fù)雜，由于立柱在預(yù)應(yīng)力整體框架液壓機中既是整體框架的承載連接件，又是整個液壓機的動梁移動的導(dǎo)軌，其結(jié)構(gòu)形式直接影響設(shè)備的形狀和精度。

目前大型的高精度液壓機的立柱分布形式多為四柱和雙柱形式，四柱為傳統(tǒng)形式，整機穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)性好，在目前的大型液壓機設(shè)計中占主流形式；雙柱式為新型結(jié)構(gòu)，特別在鍛造行業(yè)，使用比較多，這與其結(jié)構(gòu)形式有很大的關(guān)系，雙柱斜置式分布，結(jié)構(gòu)相對簡潔，視野開闊，對于鍛造大型齒圈類鍛件，有其特殊的優(yōu)勢，但是整體結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性沒有四柱的形式好。

因大型預(yù)應(yīng)力整體框架液壓機的功能和精度、行業(yè)性質(zhì)不同等因素，決定了立柱結(jié)構(gòu)形狀的復(fù)雜性和多樣性，但從立柱橫截面結(jié)構(gòu)形狀來分析，一般典型設(shè)計有圓形、方形和多邊形等，其截面結(jié)構(gòu)形狀不同決定了設(shè)備結(jié)構(gòu)本體相關(guān)件設(shè)計的不同。典型立柱和拉桿的截面圖見圖4。

圖4中的（a）圖立柱為圓形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要是一些冷態(tài)的液壓機及精度不高的設(shè)備使用，其優(yōu)點是受力變形均勻，易于加工成形。缺點為在滿足一定剛度和變形要求時，設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸大，立柱作為導(dǎo)軌使用時，導(dǎo)向間隙不能調(diào)整，維護使用成本高等。

圖4中的（b）圖立柱為方形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要是適于冷、熱態(tài)液壓機及精度要求高的設(shè)備使用，目前設(shè)計制造的液壓機多采用這種結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點為可以根據(jù)立柱的受力變形要求設(shè)計為等強度截面，整體剛度好，穩(wěn)定性好，立柱作為導(dǎo)軌使用時，可以對導(dǎo)向間隙進行調(diào)整，維護使用方便等，缺點是形狀較為復(fù)雜，對于熱態(tài)使用的設(shè)備導(dǎo)向間隙調(diào)整必須為不等間隙，導(dǎo)向精度不能太高，否則熱變形時容易出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

▲圖4 立柱和拉桿的截面圖

圖 4 中的（c）圖立柱為多邊形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是全新結(jié)構(gòu)，為我單位近幾年開發(fā)研制的液壓機產(chǎn)品上使用的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)適于各種冷熱態(tài)液壓機及精度要求高的設(shè)備使用要求，對于新型、高精度設(shè)計制造的液壓機推薦采用這種結(jié)構(gòu)，其特點為具有方形結(jié)構(gòu)的全部優(yōu)點，可以根據(jù)立柱的受力變形要求設(shè)計為等強度截面，整體剛度好，穩(wěn)定性好，可以對導(dǎo)向間隙進行調(diào)整，維護使用方便等。優(yōu)于方形結(jié)構(gòu)立柱的特點是作為導(dǎo)軌使用時，其導(dǎo)軌的形式為斜導(dǎo)向，這種斜導(dǎo)向完全可以實現(xiàn)等間隙導(dǎo)向，導(dǎo)向精度高，特別適用于熱態(tài)液壓機高精度導(dǎo)向要求，由于其斜導(dǎo)向的方向正好是熱輻射的發(fā)散方向，熱輻射時產(chǎn)生的變形對導(dǎo)向間隙基本上不影響，完全消除了方形結(jié)構(gòu)在熱態(tài)時立柱導(dǎo)軌間隙不均等、導(dǎo)向精度低、熱變形時容易出現(xiàn)卡阻等缺點。

在設(shè)計過程中，需要根據(jù)實際使用情況進行充分的可行性分析和計算以確定立柱的形狀，其形狀的確定決定了液壓機的形狀、精度、性能等參數(shù)。

5 SolidWorks-Cosmosxpress結(jié)構(gòu)靜態(tài)仿真

▲圖5 立柱的有限元分析

利用有限元分析軟件對上述提到的3種立柱結(jié)構(gòu)進行建模分析，參數(shù)設(shè)定為我單位設(shè)計的50 MN高精度液壓機。拉桿的截面積S1=1 884 cm2；立柱的截面積S2=2 156 cm2；預(yù)緊力P1=65 MN；立柱的長度L1=766 cm，拉桿長度 L2=1 180 cm，根據(jù)前面的式（1）～（9）計算可以得出相應(yīng)的負荷力和變形，從計算結(jié)果可以看出不存在開縫問題。詳細過程不在此處敘述，僅對立柱進行建模分析，利用SolidWorks建模，利用Cosmosxpress模塊進行有限元計算。其仿真結(jié)果見圖5。圖5中，（a）圖為多邊形立柱的應(yīng)力、位移變形圖，其變形的最大位移處發(fā)生在與斜導(dǎo)向相鄰處的受力結(jié)構(gòu)短邊板處的縱向中部，高精度液壓機則正好利用這種變形趨勢，將整個框架處于預(yù)緊力狀態(tài)下，整體框架會發(fā)生變形，利用這種變形，當(dāng)設(shè)備在工作負荷時會產(chǎn)生反變形，這樣就可以使立柱在受力變形時，立柱導(dǎo)向精度進一步提高，而不會出現(xiàn)降低導(dǎo)向精度的作用，從而能夠得到高精度的產(chǎn)品。這也是高精度液壓機采用這種結(jié)構(gòu)的原因。目前，利用這種反變形方法設(shè)計的熱態(tài)高精度液壓機導(dǎo)向精度可以達到0.5 mm誤差以內(nèi)。（b）圖為方形立柱的應(yīng)力、位移變形圖，這種結(jié)構(gòu)受力變形最大位移處也在縱向中部，但變形方向為整個結(jié)構(gòu)薄弱處，因此在設(shè)計導(dǎo)向時必須使用不等間隙導(dǎo)向形式，且要保證導(dǎo)向精度，必須增加四面調(diào)整機構(gòu)，調(diào)整復(fù)雜且容易出現(xiàn)過定位現(xiàn)象。（c）圖為圓形立柱的應(yīng)力、位移變形圖，這種結(jié)構(gòu)受力變形最大位移處也在中部，變形的程度要好于方形導(dǎo)向，但這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向為不可調(diào)式，在冷、熱態(tài)使用中必須使用偏心套來改善導(dǎo)向間隙，提高一定范圍的導(dǎo)向精度，導(dǎo)向間隙磨損較快，且使用、維護、更換復(fù)雜。

6 結(jié)束語

液壓機是廣泛應(yīng)用于鋼鐵、鍛造、化工、煤炭、航空、汽車等行業(yè)的通用設(shè)備，通過對其整體框架主要單元結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能參數(shù)進行分析研究，總結(jié)和推導(dǎo)一些公式和新的結(jié)構(gòu)形式，同時，對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代新型結(jié)構(gòu)進行深入研究，通過大量的計算和有限元分析，對整機預(yù)緊力的確定、主要單元受力和力的變形、強度和剛度分析、整體框架開縫的校核、立柱不同結(jié)構(gòu)形式的分析和計算等進行了深入的研究。然后，通過實例分析和驗證所得的結(jié)論，利用主要單元的受力和變形狀況,對整體框架液壓機主要單元進行優(yōu)化設(shè)計和反變形設(shè)計。并將所得的結(jié)論應(yīng)用于近幾年的大型液壓機設(shè)計和研發(fā)中，使設(shè)備和產(chǎn)品的精度和性能均能達到、滿足設(shè)計精度和工藝要求。

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，必然要對各個產(chǎn)業(yè)進行節(jié)能降耗的改造和促進低碳環(huán)保經(jīng)濟的發(fā)展。粗放型、高成本、高能耗的產(chǎn)品必然會被精致型、低碳型、全新型的產(chǎn)品所替代，對現(xiàn)有大型液壓機的分析與研究，無論是對今后新型液壓機的設(shè)計和開發(fā)，還是對同類型設(shè)備工藝和產(chǎn)品的設(shè)計，都具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

［1］ 俞新陸.液壓機的設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［2］ 帥長紅.液壓機設(shè)計制造新工藝新技術(shù)及質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實務(wù)全書［M］.北京：北方工業(yè)出版社，2006.