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!#$年#月第%%卷第#期机床与液压&’()*+,-../0)123’4/*(56789!#$:;9%%+;9#!#!#=?$?@A9BCC89##DEE#9!#$9#9#F收稿日期!!#%D##D#E基金项目!天津市自然科学基金资助项目#6(1I6(#GE#作者简介!朱培浩#?E$#%博士%讲师%主要从事装备制造方面的研究&,DH7B!gKO]MBK7;QV]J#$9P;H&通信作者!郑清春%gKO]MBK7;QV]J#$9P;H&#&+精密液压机预紧力分析朱培浩!郑清春!胡亚辉!涂欢天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室!天津E%#摘要!经典的组合结构压机机架的预紧设计方法以横梁为刚体和拉杆立柱只有轴向变形为假设条件%给出的预紧设计方法与真实情况不相符合&为了使#&+液压机安装完成后不产生偏载%对组合框架预紧式液压机装配预紧力分配规律进行了研究%得到了#&+液压机拉杆的预紧力大小和递减规律&根据材料力学,有限元和实验分析的结果%实现了液压机安装完毕后上横梁不倾斜而只有竖直方向向下位移的目的&关键词!#&+精密液压机’偏载’预紧力’分配规律’拉杆中图分类号!-S#F9%TT文献标志码!’TT文章编号!##DEE#!#$##DF?DF;1-)4’/=.’)B%*%42’#6R;1-3*%*4.UB/1’7)*3;1-%%e)4aMBK7;%e),+SRB8VPKO8%)417KOB%-4)O78-B78AB8iM[/7U;Z7L;Z[;Y2MCBV878N*8LMBVM8L(;8LZ;;Y’N^78PMN&MPK7LZ;8BP75[CLMH%(;MVM;Y&MPK78BP7,8VB8MMZB8V%-B78AB848B^MZCBL[;Y-MPK8;;V[%-B78AB8E%%(KB87#=(%&1’3&!-KMP7CCBP7]ZM;7NNMCBV8HMLK;N;YP;HUB87LB;87YZ7HM;YK[NZ7OBP]ZMCCMCBCU7CMN;8LKM7CCOH]LB;8LK7LLKMUM7HC;YLKMYZ7HM7ZMZBVBN78NLKMP;OH8;YLBMZ;NK7C;8[7‘B7NMY;ZH7LB;8%XKBPKBC8;L7VZMMNXBLK]Z7PLBPM=*8;ZNMZL;MBHB\87LMLKMO8U778PM;7N;Y7#&+K[NZ7OBP]ZMCC7YLMZB8CL77LB;8%LKMNBCLZBUOLB;87XB8]ZMCLZMCCB8VB8B8CL77LB;8;YLKMP;HUB87\LB;87YZ7HMX7CZMCM7ZPKMN%78NLKMLBMZ;N]ZM;7NC78NNMVZMCCB;87X;Y]ZM;7NB8VXMZM;UL7B8MN=’PP;ZNB8VL;LKMZMCOLC;YH7LMZB\7HMPK78BPC%YB8BLMMMHM8L78NM‘]MZBHM8L7787[CBC%LKM7BH;YLKMB8CL7MNK[NZ7OBP]ZMCCX7CBH]MHM8LMNLK7LLKMO]]MZUM7HC7ZM8;LO8U78PMN%78N7ZM;8[H;^MN^MZLBP7[=A-BC41/%!#&+aZMPBCB;8K[NZ7OBP]ZMCC’48U778PM;7N’aZM;7N’2BCLZBUOLB;87X’-BMZ;N!前言拉杆预紧是组合框架预紧式液压机在装配过程中关键的工艺环节%拉杆预紧的目的就是在装配过程中%按要求调整好的各项精度用合理的预紧力和预紧顺序将其固定下来%并要确保这一精度在液压机工作状态下尽可能的不变动&拉杆预紧的基本要求是当采用了足够的预紧系数%按照既定的预紧顺序%如何确定每一根拉杆的初始预紧力的大小%最后使得加载预紧完毕之后%上横梁没有倾斜扭转%只有竖直向下的位移&经典的组合结构压机机架的预紧力设计方法以横梁为刚体和拉杆立柱只有轴向变形为假设条件%给出的预紧力设计方法与真实情况不相符合(#D)&文中针对这一问题进行详细的研究并找出了预紧力递减规律&##!!&+数控等温锻造液压机的结构特点#&+数控等温锻造液压机主机组成部分为!带缸的滑块,机身%一个主油缸%%个辅助油缸等&其结构如图#所示&图#T#&+液压机结构文中的#&+数控等温锻造液压机是将液压同步调平装置分别装于液压机上横梁的四角%在压制过程中%通过液压同步调平装置的位置传感器和检测环检测出活动横梁每个角的偏差量%利用这个偏差量调节对应的液压同步油缸上的活塞杆来改变活动横梁%个角动态位置%使活动横梁在压制过程中保持水平%不发生倾斜&这样可以确保无论工件在压制过程中发生什么变形%活动横梁总是保持水平状态向下压制%也就是保证了液压机的工作载荷与锻件成形力始终保持在同一轴线上&%#!!&+数控等温锻造液压机拉杆预紧的材料力学分析#&+数控等温锻造液压机结构为组合框架%该结构是靠%根拉杆的预紧力使之成为组合框架结构&!9#T立柱的预紧方法立柱的预紧采用的方法为感应加热方法(%DF)&它是先将拉杆,立柱及上横梁装配为组合框架结构后%将螺母在冷态的情况下进行初始预紧力的施加%将拉杆用感应加热的方法使端部伸长%然后%再对螺母进行预紧%每次螺母所转的角度相等%如此循环反复%直至到达目标值&!9!T预紧力的计算及拉杆受力分析根据力学的相关知识可知($DE)%设预紧系数为#9%即1rj#91&拉杆在工作中受工作力时%拉杆所受的拉力是剩余预紧力与工作拉力之和&图!给出了立柱和拉杆的受力变形的过程&图!T立柱与拉杆的力与变形的关系根据文献(?)可知!1j1Qk1j1@k5U5Uk5H1j1@k-(1##式中!1为施加载荷后拉杆总拉力%1t为剩余预紧力%1为工作压力%1r为预紧力%5U为拉杆刚度%5H为立柱刚度%-P为相对刚度系数%一般取9!n9&由机械设计实际经验可知%对多对拉杆施加预紧力时应采用对角加力%具体的加力方法为!预紧安装时将%根拉杆分成!组%其中拉杆和拉杆%为一组%拉杆!和拉杆为另外一组%每组拉杆的初始预紧力和最终预紧力都相等&第一组拉杆预紧后%继续预紧第二组拉杆%这时第一组拉杆的预紧力减小%如果两组拉杆加载完毕后上横梁必然会产生偏载%所以必须算出第一组拉杆的初始预紧力&根据图!所示的受力变形关系可得最终预紧力与初始预紧力的计算公式!1Ej-DDE7!#-j#k=##k=k=%%()!!!=!!##式中!1E为各拉杆最终要求的预紧力%D为液压机每侧立柱拉杆数%E为一侧立柱中预紧顺序的自然排列数%7为各拉杆最终的预紧力%-为对于一定的液压机%-为常数%=#,=!,=,=%分别为立柱,拉杆,上横梁和下横梁的计算长度%#,!,,%分别为立柱,拉杆,上横梁和下横梁柱套部分截面积%!#为柱套的弹性模量%!!为拉杆材料的弹性模量&根据公式!#,#得到#&+数控等温锻造液压机各组拉杆的初始预紧力为!-j#kG%!F%Ek!$!G#k!G!FE!()-!E!$b!##!G!b!#j#9FF1#j-!D#7j#9FFb9!Fb#Gj%9%b#G+1!j-!D!7j#b9!Fb#Gj9!Fb#G+同理%由公式!#,#%可以算出各对拉杆不同的最终预紧力所需的初始预紧力如表#所示&表#T拉杆#%拉杆%预紧力材料力学分析结果拉杆#,拉杆%编号初始预紧力@&+最终预紧力@&+预紧力减小量@&+预紧力减小率@d##?9$#%9FF9#!$9#!!9!#G9#$9#!$9!?%!###!$9#?%%%9$!9?##9G!$9!F%$9F%9#!9!!$9!%$FF9%%9?#%9F!$9#GG$%9%%G9F#$9?!$9!%&#!!&+数控等温锻造液压机拉杆预紧的有限元分析为了解决经典的组合结构压机机架的预紧设计方法与真实情况不相符合问题&文中对#&+数控等温锻造液压机拉杆进行有限元分析&由#&+数控等温锻造液压机%根拉杆的预紧力合计1j#9b#E+%得到每根拉杆的预紧力为1rj9!Fb#G+%为了保证每根拉杆预紧后的预紧力都一样%必须算出拉杆#,拉杆%这对拉杆的初始预紧力%方法如下!##拉杆#,拉杆%选G组初始力作为液压机预紧力有限元分析%%%FF%FE%$%G%E-XI-机床与液压第%%卷&+#%G次’I’R45分析见表!&表!T拉杆#%拉杆%预紧力有限元分析结果拉杆#,拉杆%编号初始预紧力@&+最终预紧力@&+预紧力减小量@&+预紧力减小率@d##%9F#F9FF#9$G!%#G9##$9?%?9G#FF#!%%9$%%FE!9?!F9#%9!EF$%9!F9G%!9E$G%9?!?9#%#9FGGE%G9F!9F%9$T!#对拉杆!,拉杆始终加!9F&+的预紧力&#提交’I’R45运算分析&%#输出结果&预紧力分析结果如图$G所示&图T’I’R45预紧力分析结果图%T’I’R45预紧力分析拉杆应力结果图FT’I’R45预紧力分析变形结果图$T拉杆#预紧力过程’I’R45有限元(#D##)预紧力分析定义分析步见图G#!##施加底座上的固支边界条件和支柱的临时边界条件&!#在拉杆#,!,,%同时施加很小的预紧力#+#让各个接触关系平稳地建立起来&#去掉临时的边界条件%保持拉杆上的#+预紧力不变&%#将#,%拉杆预紧力增加到9%&+见表#&F#将#,%拉杆预紧力改为固定长度&$#将!,拉杆预紧力增加到!9F&+&G#提交分析作业并输出#,%拉杆预紧力减小的结果见图$#&其他步骤不变%只需修改第三步的#,%拉杆的初始预紧力%提交作业%就可完成另一组实验%一共提交’I’R45做G次试验%得到G组数据%拟合这G组数据得到拟合曲线见图E#%可也得到#,%拉杆的初始预紧力的准确值F$9F&+&再次对#,%拉杆施加F$9F&+的初始预紧力%!,拉杆施加!9F&+的初始预紧力%提交’I’R45计算结果见图%,F#%%根拉杆的应力,应变值一样%没有产生偏载的情况%这样可以提高液压机锻压制件的精度%为精细分析提供依据&-NI-第#期朱培浩等!#&+精密液压机预紧力分析TTT图GT’I’R45预紧力分析步骤TT表T拉杆#%拉杆%预紧力分析数据2@&+最终预紧力#%9G#G9%#9%9%%9E%#9%%E93@&+初始预紧力9%9FF9FE9$9G9E9TT由表得出拉杆的预紧力变化拟合曲线如图E所示&由图E拟合曲线可知%只要知道液压机%根拉杆图ET拉杆#,拉杆%预紧力变化拟合曲线的最终预紧力%可快速得出第一对拉杆的初始预紧力%实现液压机%根拉杆预紧完成后不产生偏载%进而提高液压机锻压工件的精度%提高锻压产品质量&’拉杆预紧有限元分析模型实验验证为了验证液压机主机拉杆有限元分析模型及建模方法的正确性%通过实验对该液压机%根拉杆上确定的关键点进行位移测量图?#&图?T拉杆表面测量点通过实验位移值结果与液压机主机拉杆有限元模型分析获得的结果进行对比%验证该液压机主机拉杆有限元分析模型及建模方法的正确性&%9#T实验设备实验采用的位移测量设备为’-?#\/3绝对跟踪仪图##&图#T位移数据提取装置它同时利用了’2&绝对测距仪#和*_&激光干涉仪#技术%具有直径#$H的测量范围%大型机床和小型物体都可以实现精度达到微米级的精密测量&通过手持式反射镜%操作人员可以对被测物体进行自由采点检测%同时得到实际值与理论值之间偏差的实时反馈&实验设备关键部件包括激光球支座图##7##,激光球图##U##,绝对跟踪仪##P##,计算机等组成图###&-DI-机床与液压第%%卷图##T位移测量实验装置测量液压机%根拉杆特征点的位移时%绝对跟踪仪通过跟踪激光球一个带镜面的小球#%也就是大家所熟知的反射球来自动跟踪测量点的位移’镜面小球固定在液压机上%绝对跟踪仪放于地面上%%次实验可完成特征点位移的