组合式机架C型板与十字键接触状态研究
本文作者(万佳先 王亚军),请您在阅读本文时尊重作者版权。
摘要：对组合板框式巨型模锻压机主机架的关键件C型板进行理论的受力分析，得到了工作载荷P与夹紧拉杆预紧力F0之间的关系。通过非线性有限元软件MARC建立了大型模锻压机C型板结构的三维有限元模型，将理论推导出来的夹紧拉杆预紧力应用到有限元模型中去，以理论解为依据，在理论解周围取一系列数值进行分析对比，得出夹紧拉杆预紧力F0的大小直接影响到C型板与十字键的接触状态的好坏。对压机的设计具有重要的参考价值和现实意义。
关键词：夹紧拉杆 最佳预紧力 有限元 MARC
0 引言
在机械工业中，锻压设备占有及其重要的地位，其发展水平和拥有量不仅对锻压生产起到关键作用，而且在一定程度上反应一个国家的工业水平，目前先进国家锻压设备所占比重在全部机床的30%以上。巨型模锻压机作为一种重要的金属压力加工设备，在航空、航天、汽车及机械等行业得到广泛应用。我国正在建造的某大型模锻压机主机架采用组合板框式结构，这种组合结构克服了大部件制造困难的缺点，但如何保证其整体性工作是设计任务的关键。由于巨型模锻压机制造难，成本高，而主机架中的大多数关键件都是不可更换件，在设计过程中，尽可能的将零部件的强度和刚度校核到最优，防止因这些零部件的损坏而影响到整个压机的寿命，以保证压机的正常使用。组合式板框式机架大量采用了拉杆预紧的形式，这些拉杆的作用不尽相同，其共同点是保证压机的整体性工作，将压机各个零部件组成一个有机的整体，吴生富等分析了预紧机架中预紧拉杆刚度对整机整体性影响甚大。可见，夹紧拉杆在组合式机架中的作用举足轻重，夹紧拉杆工作状态将会直接影响到整机的整体性。在C型板形式的主机架中，十字键扮演着重要角色，它一方面将C型板的受弯曲变形转化为夹紧拉杆受拉，另一方面要保证所有C型板作为一个整体，承担起压机的受载，而C型板与十字键的接触状态对上述两方面的影响都很大。C型板与十字键接触状态良好，就能很好地将C型板的弯曲传递给夹紧拉杆，也就能保证C型板的整体性工作。针对上述问题，本文采用理论分析加数值模拟的方法，将理论分析的结果应用到数值计算中去，通过数值模拟得到C型板与十字键的接触状态与夹紧拉杆的预紧力有直接关系。要保证C型板与十字键具有良好的接触状态，就要保证夹紧拉杆有合理的预紧力。研究结果对大型锻造液压机及采用此类结构的其他类型压机的设计有一定指导意义。
1 分析过程及分析方法
1.1 组合板框式机架简介
C型板式主机架的结构如图1所示：
C型板之间通过十字键联接，上端由夹紧梁通过大拉杆拉紧。当机架受到图示工作压力P时，十字键将受到两侧C型板的挤压，对C型板有反作用力，在接触面上产生压应力σc，C型板将有向两端扩张的趋势，这时，C型板的扩张趋势将通过夹紧梁传递给夹紧拉杆，夹紧拉杆被拉紧，通过这种方式，将C型板的受拉弯转化为夹紧拉杆的受拉，因此，夹紧拉杆将承担很大的拉力。在这里，十字键与C型板的接触状态将影响到整个机架的力流传递和应力分布，接触状态良好，可以保证主机架的整体性工作，反之，将导致C型板与十字键之间的开缝，在接触区就会发生严重的应力集中，降低压机的使用寿命，甚至使压机不能工作。夹紧拉杆的主要作用就是尽可能的使C型板与十字键保持接触，以减小C型板与十字键之间的开缝，使主机架的应力分布和力流传递更加理想，从而延长压机的使用寿命。要使C型板与十字键之间具有良好的接触状态，就要保证夹紧拉杆有合理的预紧力。所谓夹紧拉杆合理预紧力就是指能够保证满足压机设计和使用要求（C型板与十字键不开缝），而又符合机械结构设计准则的预紧力。
1.2 C型板受力分析
对C型板的理论受力分析如下：
首先将C型板简化为如图2所示的力学模型
因为只关心夹紧拉杆对C型板与十字键之间的接触状态的影响，所以只对C型板上部进行受力分析，将C型板上部视为一简支梁承受一集中载荷（即夹紧拉杆的预紧力F0）于是得到C型板侧面压应力（即C型板与十字键之间的接触面上的压应力）σc(x)的表达式如式2-1所示：
（式2-1）
其中：
S—C型板与十字键的接触面积
I—C型板与十字键接触面的惯性矩
b—C型板的厚度
当压机承受工作载荷P时，C型板的受力状态如图3所示：
不考虑因工作载荷作用而增加的附加力P与附加力矩M，即不考虑C型板在X方向变形量对C型板与十字键接触状态的影响，压应力的计算公式将变为式2-2所示：
由式2-3可以得出结论：
当x=·h（B点位置）时σc(x)有最小值，整理得式2-4：
当x=-·h（A点位置）时σc(x)有最大值，整理得式2-5：
即在C型板与十字键接触最上部B点的位置应力最小，最下部A点位置应力最大，C型板顶端有向两端裂开的趋势。
为保证C型板与十字键始终接触，二者之间的压应力应该总是存在的，即应使σc(x)min≥0，于是得到最小预紧力计算公式，如式2-6所示：
（式2-6）
式2-6为夹紧拉杆预紧力的理论计算公式。
2 数值模拟分析
利用大型非线性有限元软件MARC，建立巨型压机整机的三维有限元模型，在夹紧拉杆上施加不同的预紧力，以C型板与十字键的接触状态作为判据，当C型板与十字键接触节点对之间的开缝距离大于0.05mm时，视为不接触，统计接触节点占总节点的比例，比较在不同预紧力作用下C型板与十字键的接触状态。