872t四柱式压砖机机架预紧力分析

吴林峰，万甲尚，王文

872t四柱式压砖机机架预紧力分析

吴林峰，万甲尚，王文

（华北水利水电大学 机械学院，河南 郑州 450045）

与国外压砖机相比，国产压砖机在近年来发展迅速且向着大吨位高效率发展。然而在实际生产中普遍暴露出压砖机结构稳定性不足的问题，从而使压砖机在工作过程中容易产生开缝和破坏的问题，已成为制约其行业竞争力的关键所在。本文研究的872 t四柱式压砖机采用的是预应力组合式框架结构。在使用时机架受载荷作用容易导致机架松动，使上下横梁与立柱之间产生缝隙，所以需要对机架施加预紧力，以保证机架在受载荷作用时，依然有残余预紧力使机架保持一个整体。运用ANSYS Workbench对某872 t四柱式压砖机机架装配预紧力分配规律和预紧时对拉杆的预紧顺序进行研究，结果发现按预紧顺序预紧时，第一组拉杆的预紧力受第二组拉杆预紧力的影响而减小呈线性关系，且通过拟合曲线得到其函数关系,求出当四根拉杆预紧力相等时的第一组拉杆初始预紧力大小。对实际安装生产的指导有重要意义。

四柱式压砖机机架；装配预紧力；预紧力顺序

四柱式压砖机是一种可以将建筑废渣、粉煤灰、矿渣、炉渣、电石泥等废料压制为砖的液压机械。此压砖机机架采用预应力结构，其目的就是在装配过程中，用合理的预紧力和预紧顺序将压砖机各部件固定下来，并要确保压砖机的各部件在工作状态下尽可能紧密结合在一起使压砖机正常工作。但是预紧力过小，容易导致横梁与立柱之间产生开缝，影响压机精度；预紧力过大，容易使拉杆产生早期疲劳破坏，降低拉杆寿命。对预紧力的研究通常以预紧顺序、预紧方式和预紧力大小为对象来进行研究。

压砖机根据立柱根数可分为二柱式和四柱式，对二柱式的研究较为完善。王小红等[1]在详细介绍结构特点的基础上，对受力情况和预紧力进行分析计算，再结合有限元分析，归纳二柱式预应力组合框架的预紧力计算方法和受力—变形关系。黄奎等[2]采用ANSYS公司推出的协同仿真环境Workbench软件对二柱式压机进行了有限元计算，得到不同预紧系数下二柱式压机拉杆的受力情况，从中找出拉杆预紧力依加载顺序而递减规律，对实际设备安装具有一定的指导意义。朱培浩等[3]对四柱式压砖机进行研究时发现：材料力学为了计算方便，用的是简化的模型，特别是用了等效截面的方式来处理复杂的四柱式模型，和真实模型相差较大，算出的预紧力和真实值会有较大的误差。因此，压砖机机架是工作装置的重要组成部分之一，直接关系到制砖质量和效率，有必要以尽可能较为接近的模型对预紧力预紧顺序和大小进行研究。

本文针对四柱式压砖机为研究对象，利用Workbench软件进行有限元分析，对预紧顺序中第二组预紧的拉杆对第一组的影响进行研究，得到预紧力的大小和递减规律。

1 压砖机机架模型建立

1.1 压砖机主要结构及尺寸

本文所研究的四柱式压砖机机架由上横梁、下横梁、立柱、拉杆和螺母组成。如图1所示。其主要尺寸如表1所示，装配后总高3950 mm、长2860 mm、宽1930 mm。

表1 压砖机各部件尺寸（单位：mm)

1.2 结构模型的简化

四柱式压砖机工作原理及结构相对较为复杂，其力学性能与很多因素相关。因此为了可以有效节省模型的计算时间，更好的解决实际问题。建模时，在不影响分析结果的前提下，作以下简化：

（1）压砖机的材料认为密度分布均匀，并且是理想弹性体；

（2）下横梁被认为固定在刚性地面上；

（3）对于明显不会影响机架整体强度、刚度的部位，比如螺纹孔、销孔、上横梁和下横梁的一些台面等可以简化；

（4）活动横梁和立柱之间假定没有运动上的干涉，于是在整个机架的分析过程中，可以去掉活动横梁。

1.3 实体模型的建立

利用三维建模软件SolidWorks建立机架实体模型，然后导入Workbench中进行有限元计算。为了保证模型的信息不丢失，在SolidWorks建立模型都以mm为单位，在Workbench中的单位制为mm-kg-s。

1.4 各部件材料属性

各部件材料性能如表2所示。

1.5 单元类型的选择

因为压砖机的结构复杂且不规则，故要选择高阶单元，因为高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线或曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数以提高计算精度，故选择Solid186单元。Solid186是一个高阶3维20节点固体结构单元，其具有的二次位移模式可以更好的模拟不规则的网来解决模型复杂的问题。

1.6 网格划分

由于压砖机结构较为复杂，本文采用网格自动化分方式，且人工设置网格大小为40 mm，压砖机网格划分如图2所示，共有226779个单元和692044个节点。

表2 各部件材料属性

1.拉杆；2.螺母；3.上横梁；4.立柱；5.下横梁。

图2 四柱式压砖机网格划分图

1.7 压砖机中的接触问题

本文所研究的四柱式压砖机各部分之间的接触均为面－面的接触，且认为各部件均为刚体。通过分析把接触分为：上横梁与螺母的接触、上横梁与立柱的接触、上横梁与拉杆的接触、立柱与拉杆的接触、立柱与下横梁的接触、拉杆与下横梁的接触和螺母和拉杆的接触。上、下横梁和立柱与拉杆的摩擦类型选为Frictional接触类型，且摩擦系数选为0.3。考虑到上、下横梁与螺母之间和上下横梁与立柱之间的水平位移被限制，因此，选用Frictional接触类型并不能解决问题，所以在摩擦类型里选择rough接触类型，此时，认为摩擦系数无限大。螺母和拉杆的接触为默认的Bonded接触类型。

2 压砖机预紧力分析

2.1 预紧力计算

通过对机架装配时预紧力的研究发现，图3中，在施加预紧力后拉杆被拉伸，机架被压缩，机架的压缩由上横梁、立柱和下横梁的压缩组成，拉杆的伸长量与机架的压缩量是相等

的，即图3中点处。当压砖机工作时，因施加工作载荷的原因拉杆继续伸长，但此时机架的压缩量变小，如果预紧力偏小，当施加工作载荷后机架压缩量减小到小于等于0时，即图3中点处，此时会造成上、下横梁和立柱之间出现缝隙，影响压机的正常工作，严重时甚至损坏压机，压砖机总的预紧力一般取为公称压力的1.2～2倍，该压砖机的预紧力取为公称压力的1.2倍：

机架共有4根拉杆，则平均每个拉杆受预紧力＝0/4＝2.55×106N。

2.2 预紧顺序研究

由机械设计实际经验可知，在对有多根拉杆组成的机器施加预紧力时应采用对角加力的方式。故四柱式压砖机施加预紧力的步骤为：在施加预紧力前先把4根拉杆分为2组，其中拉杆1和拉杆2为一组，拉杆3和拉杆4为一组。在预紧过程中，预紧次序按照图4所示编号顺序：先对第一组施加预紧力，第一组拉杆受1力预紧后，机架被压缩，拉杆受力伸长，此时同组两根拉杆受相等的预紧力，故加载完后同组两根拉杆的最终预紧力相等。当第一组预紧后，再对第二组施加预紧力，此时第二根拉杆受2力预紧后，机架继续被压缩，此时第二组拉杆的初始预紧力等于最终预紧力。在实际生产中，要求两组拉杆加载完成后不产生偏载。接下来通过有限元来模拟第二组预紧力加载对第一组的影响，从而得到第一组预紧力减小规律，来获得准确的初始预紧力。

3 有限元计算

通过以往对液压机械的研究发现，材料力学为了计算方便用了等效截面的方式来处理复杂的上横梁、下横梁、立柱模型，和真实模型相差较大，算出的预紧力和真实值会有较大的误差。

图3 拉杆预紧力与变形关系图

图4 压砖机拉杆预紧顺序图

对第一组初始预紧力设9个值：

（1）2.0×106N

（2）2.25×106N

（3）2.5×106N

（4）2.75×106N

（5）3.0×106N

（6）3.25×106N

（7）3.5×106N

（8）3.75×106N

（9）4.0×106N

第二组初始预紧力则始终为2.55×106N，以此来研究第二组预紧力对第一组预紧力的影响规律。

3.1 计算过程

（1）对第一组施加初始预紧力；

（2）对第二组施加初始预紧力；

（3）进行Workbench计算；

（4）对第一组拉杆最终预紧力进行分析。

3.2 计算结果

通过Workbench计算；得出取第一组拉杆初始预紧力为一组值时，在第二组拉杆预紧力不变的情况下，对第一组拉杆预紧力的影响如表所示。在实际工作中，由于模型的复杂导致无法通过建立数学模型来计算出第二组拉杆的预紧力对第一组的影响，故通过有限元来进行一组数据的仿真计算，并拟合出第一组拉杆预紧力的变化，从而更准确地得到其变化的规律。

在实际安装中，压砖机的四根拉杆最终预紧力要相等，使压砖机不发生偏载现象，以提升压砖机强度和工作精度。在图5所示的应力云图中，当第一组拉杆预紧力受第二组预紧力影响后减小为和第二组一样大小时，此时的第一组初始预紧力为所求的预紧力。

图5 Workbench预紧力分析应力结果

表3 拉杆1、拉杆4预紧力有限元分析结果

图6 拉杆预紧力拟合曲线

故从拟合曲线中得知，只要知道了四根拉杆的最终预紧力，可以得出第一组拉杆的初始预紧。根据上面坐标系中拟合曲线呈线性关系，得出关于此线段的函数表达式为：

＝1.002＋0.1235 （2）

根据要求最终预紧力要达到2.55×106N，代入式（2）得到初始预紧力为2.68×106N。

4 结论

本文运用ANSYS-Workbench对某872 t四柱式压砖机机架装配预紧力分配规律和对拉杆的预紧顺序进行研究，分析得到当压砖机机架第一组拉杆初始预紧力大小为2.68×106N时，四根拉杆的最终预紧力相等且都为2.55×106N。第一组拉杆的初始预紧力和最终预紧力的函数关系为＝1.002＋0.1235，递减规律呈线性关系。该结论可对压砖机在实际安装预紧过程中预紧力的变化作理论指导，对实际安装生产有重要意义。

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Analysis of Pre-tightening Force of the 872 t Four-column Brick Press

WU Linfeng，WAN Jiashang，WANG Wen

( School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Compared with foreign brick presses, domestic brick presses have developed rapidly in recent years, directing towards large tonnage and high efficiency. However, in actual production, there exits the problem of insufficient structural stability of the brick press, so that it is prone to cracking and damage during the working process. This has become a major restriction to its industry competitiveness. This paper studies an 872 t four-column brick press using a pre-stressed combined frame structure. It is easy for the frame to become loose when it is under load, causing a gap between the upper and lower beams and the pillars. Therefore, it is necessary to apply a pre-tightening force to the frame to ensure that it has a residual pre-tightening force under load so as to keep the frame as a whole. This paper uses ANSYS-Workbench to study the pre-tightening force distribution rule of the frame assembly of the 872 t four-column brick press and the pre-tightening sequence of the tie rods. The tightening force is affected by the pre-tightening force of the second group of tie rods and decreases linearly, and the function relationship is obtained by fitting the curve to obtain the initial pre-tightening force of the first group of tie rods when the pre-tightening forces of the four tie rods are equal. This finding has great significance in actual installation and production.

four-column brick press frame；assembly pre-tightening force；pre-tightening force sequence

TH13；TH315.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.002

1006－0316 (2021) 04－0008－06

2020－09－10

河南省高等学校重点科研项目（20A450002）

吴林峰（1970－），女，河南潢川人，博士，教授、硕士生导师，主要研究方向为机械设计及振动，E-mail：327644048@qq.com；万甲尚（1995－），河南洛阳人，硕士研究生，主要研究方向为机械结构设计及数值分析。