李兆凱，郭 璞，韋朝強(qiáng)，杜真一，魏太春

（西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

鍛造操作機(jī)是鍛壓機(jī)組中最主要的輔機(jī)，是鍛造車間實(shí)現(xiàn)鍛造機(jī)械化與自動(dòng)化的重要設(shè)備。其組成部分主要有機(jī)架、鉗桿、吊掛系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)，它主要用于夾持鍛件來(lái)配合壓機(jī)完成鍛造作業(yè)。其工作特點(diǎn)是沖擊載荷大、慣性大、自由度多、工況惡劣。

吊掛系統(tǒng)如圖1 所示，鉗桿通過(guò)吊掛系統(tǒng)中的前后轉(zhuǎn)架、吊桿、升降油缸及傾斜油缸固定在機(jī)架上，各個(gè)油缸單獨(dú)或組合運(yùn)動(dòng)使鉗桿實(shí)現(xiàn)平行升降或上下傾斜動(dòng)作。吊掛裝置的升降油缸與機(jī)架采用固定球鉸聯(lián)接，使鉗桿的各種運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生干涉。緩沖油缸和整個(gè)吊掛系統(tǒng)組成一個(gè)具有很大緩沖性能的“液壓彈簧”，使鉗桿能夠在操作機(jī)行走過(guò)程中具有很好的“回彈”功能。

1 問(wèn)題的提出

圖1 吊掛系統(tǒng)

公司30 t 全液壓直移式鍛造操作機(jī)是45 MN壓機(jī)的重要組成部分，由于公司生產(chǎn)任務(wù)繁重，設(shè)備開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，而該設(shè)備的平升降動(dòng)作在壓機(jī)從事開(kāi)坯、延伸、鐓粗、擴(kuò)孔、精整等鍛造工藝時(shí)使用最為頻繁且最為重要。在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)備吊掛部分前轉(zhuǎn)架板開(kāi)裂，升降油缸耳座與轉(zhuǎn)架板連接處斷裂等問(wèn)題。給設(shè)備和人員安全帶來(lái)極大隱患，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

2 問(wèn)題可能原因

經(jīng)檢查，前轉(zhuǎn)架板斷裂處裂紋在前轉(zhuǎn)架板與升降油缸連接耳座的拐角處。裂紋方向與升降油缸平行，裂紋周圍平整無(wú)雜物撞擊痕跡。經(jīng)分析前轉(zhuǎn)架板斷裂原因如下。

（1）油缸推力過(guò)大超過(guò)設(shè)定壓力值。

（2）轉(zhuǎn)架應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)材料屈服應(yīng)力。

（3）壓機(jī)下壓過(guò)程中操作機(jī)動(dòng)作卡滯，轉(zhuǎn)架瞬時(shí)應(yīng)力超高。

以上故障均會(huì)導(dǎo)致前轉(zhuǎn)架板所受應(yīng)力大于材料屈服應(yīng)力而導(dǎo)致轉(zhuǎn)架板開(kāi)裂。首先排除油缸推力過(guò)大的問(wèn)題，檢查泵頭壓力，經(jīng)測(cè)量泵頭壓力在正常范圍之內(nèi)；檢查并清洗液壓系統(tǒng)溢流閥，溢流閥的工作也正常。從而排除液壓系統(tǒng)壓力過(guò)高問(wèn)題。

2.1 用ANSYS 軟件分析轉(zhuǎn)架在工作時(shí)的受力情況

（1）創(chuàng)建和輸入幾何模型。在SolidWorks 軟件中創(chuàng)建前轉(zhuǎn)架實(shí)體模型，由于前轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，做了一些簡(jiǎn)化。忽略前轉(zhuǎn)架中的小圓角，以及加工時(shí)的退刀槽，砂輪越程槽。如果在前轉(zhuǎn)架建模時(shí)考慮這些因素，則會(huì)使有限元的網(wǎng)格非常密，大大增加了節(jié)點(diǎn)方程的個(gè)數(shù)，繼而增加了數(shù)據(jù)量和計(jì)算機(jī)求解時(shí)間，并造成單元格形狀的不理想，求解累積誤差增大，反而將低了求解精度。同時(shí)也忽略各種螺栓孔，避免劃分網(wǎng)格時(shí)出現(xiàn)畸形網(wǎng)格。

（2）單元類型的選擇。選擇單元要考慮的因素：①單元能夠很好的反應(yīng)所要計(jì)算的物體；②單元必須要有較高的計(jì)算精度；③單元必須盡可能的節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

所以本次分析采用SOLID45 單元對(duì)前轉(zhuǎn)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，此單元為8 節(jié)點(diǎn)的六面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3 個(gè)自由度。

（3）定義材料屬性。選擇材料Q345-B，彈性模量為2.12×105N·mm2，泊松比為0.3。

（4）網(wǎng)格的劃分。在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)前轉(zhuǎn)架板R 角過(guò)渡處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，劃分后的有限元網(wǎng)格如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)架網(wǎng)格劃分

（5）施加載荷并求解。對(duì)前轉(zhuǎn)架板與機(jī)架連接軸部分施加固定約束，在升降缸與前轉(zhuǎn)架板連接銷孔處單側(cè)施加載荷進(jìn)行求解，結(jié)果如圖3 所示。

（6）結(jié)果分析。由轉(zhuǎn)架板的應(yīng)力云圖可以看出該零件受力不太均勻，在升降缸與轉(zhuǎn)架板連接的R 角位置處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，而其應(yīng)力最大值小于Q345-B 材料的屈服極限，所以滿足使用要求。從分析結(jié)果可以看出，雖然轉(zhuǎn)板架斷裂處與ANSYS 分析結(jié)果的應(yīng)力集中處重合，但是在正常使用情況下應(yīng)力在材料允許范圍之內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)架板斷裂的情況。

2.2 外力因素

圖3 轉(zhuǎn)架應(yīng)力云圖

操作機(jī)是配合壓機(jī)進(jìn)行工作的輔助設(shè)備，與此操作機(jī)相配套的壓機(jī)壓力達(dá)到4500 t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于操作機(jī)的力。當(dāng)鍛造的過(guò)程之中如果操作機(jī)動(dòng)作不合適致使壓機(jī)的力通過(guò)工件傳導(dǎo)到操作機(jī)上就會(huì)使操作機(jī)的零件損壞。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察及詢問(wèn)設(shè)備操作人員，發(fā)現(xiàn)有時(shí)候操作機(jī)升降動(dòng)作過(guò)程之中機(jī)器會(huì)出現(xiàn)異響，響聲來(lái)自升降缸與轉(zhuǎn)架板連接處?，F(xiàn)場(chǎng)拆出與升降油缸關(guān)節(jié)軸承相連接的軸發(fā)現(xiàn)由于鍛造設(shè)備受工件熱輻射較大，潤(rùn)滑油脂在高溫下烘烤變干堵塞油孔，導(dǎo)致此處經(jīng)常處于無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)，壓機(jī)反復(fù)升降動(dòng)作的時(shí)候關(guān)節(jié)軸承與軸產(chǎn)生摩擦，軸的圓柱面已經(jīng)被磨損成臺(tái)階狀。由此可以判斷，壓機(jī)鍛造過(guò)程中，由于此處潤(rùn)滑不暢導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承卡死，操作機(jī)不能隨著壓機(jī)的動(dòng)作做相應(yīng)的浮動(dòng)動(dòng)作，從而使得壓機(jī)的鍛造力傳導(dǎo)到轉(zhuǎn)架板上導(dǎo)致轉(zhuǎn)架板開(kāi)裂，這也是以前升降油缸耳座斷裂的原因所在。

3 問(wèn)題處理

為了解決關(guān)節(jié)軸承潤(rùn)滑問(wèn)題，對(duì)與關(guān)節(jié)軸承相連接的銷軸的潤(rùn)滑油道做了改進(jìn)。以前的銷軸潤(rùn)滑油道為2 個(gè)互相垂直的油孔共同組成一個(gè)直角潤(rùn)滑油道。潤(rùn)滑油在油道里面流動(dòng)阻力較大，油脂變干很容易堵住油道，一旦油道堵塞整個(gè)銷軸就會(huì)很快磨損報(bào)廢，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)架板斷裂。銷軸油道如圖4 所示。

經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，把銷軸油道改為兩個(gè)，并且油道與銷軸圓柱面成15°夾角，在銷軸圓柱面上開(kāi)環(huán)形油槽溝通2 個(gè)油道。這樣使?jié)櫥椭阡N軸里面形成一個(gè)通路，不容易堵塞。一旦有一個(gè)油道堵塞另一個(gè)油道還可以打油，利用油壓把干油脂擠出油道。重新設(shè)計(jì)的銷軸如圖5 所示。

圖4 原銷軸油道

圖5 改進(jìn)后的銷軸油道

4 結(jié)論

改造之后新的銷軸裝上使用了2 月發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑效果良好，沒(méi)有再出現(xiàn)前轉(zhuǎn)架板開(kāi)裂、關(guān)節(jié)軸承卡死等現(xiàn)象。