梁柱式全自动液压压砖机主机结构对能耗的影响.pdf

2 0 1 1 年 1 2月 第 3 9卷 第 2 4期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAULI CS De c ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 2 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 4 ． 0 0 7 梁柱式全 自动液压压砖机主机结构对能耗 的影响 黄 志诚 ，吴 南星 ，程 晓勤 1 ．景德镇 陶瓷学院，江西景德镇 3 3 3 0 0 0 ； 2 ．佛 山市华夏建筑陶瓷研发中心 ，广东佛 山 5 2 8 0 6 1 摘要应用有限元软件 A N S Y S 对梁柱式全自动液压压砖机常见的两种主机结构进行分析，得出它们工作时产生的变形 量 ，计算出两种结构因变形产生的能量消耗并进行比较，为全 自动液压压砖机的设计和选型提供参考。 关键词 全 自动液压压砖机 ； 梁柱 ；能耗 中图分类号 T H1 2 文献标 识码 B 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 4 0 1 7 2 The Effe c t o f t he M a i n f r a me S t r uc t ur e o f Hy d r a ul i c Aut o mat i C Ti l e Pr e s s o n En e r g y Co ns ump t i o n HUANG Z h i c h e n g ，WU Na n x i n g ，CHE NG Xi a o q i n 1 ． J i n g d e z h e n C e r a m i c I n s t i t u t e ，J i n g d e z h e n J i a n g x i 3 3 3 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． F o s h a n H u a x i a B u i l d i n g C e r a mi c s R D C e n t e r ，F o s h a n G u a n g d o n g 5 2 8 0 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T w o k i n d s o f ma i n a me o f c o mmo n h y d r a u l i c a u t o ma t i c t i l e p r e s s we r e a n a l y z e d b y u s i n g ANS YS ．T h e i r d e f o r ma t i o n s i n w o r k i n g p r o c e s s we r e g o t t e n ．T h e e n e r g y c o n s u mp t i o n s d u e t o t h e d e f o r ma t i o n s we r e c a l c u l a t e d a n d t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s we r e e o m p a r e d ． I t p r o v i d e s a r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n a n d s e l e c t i o n o f h y d r a u l i c a u t o ma t i c t i l e p r e s s ． Ke y wo r d sHy d r a u l i c a u t o ma t i c t i l e p r e s s ；Ma i n f r a me；E n e r gy c o n s u mp t i o n 节能 已经成为全 世界共 同关 注 的话题 。近 年来 ， 作为能量消耗大户的建筑陶瓷业飞速发展 ，虽为改善 人居环境 、美化建筑物起到了很大作用⋯ ，但是也给 能量 消耗增 加 了压力 。全 自动液压压砖机主要用于 陶 瓷墙地砖的压制成形，是陶瓷墙地砖生产线中的主要 机械设备 ，其压制力大，连续工作时间长，工作 1 年相当于普通压砖机工作 1 0年，如果在每一次循环 中节约一定的能量，其节能效果是很可观的 。然而 长期 以来 ，在压砖 机的设 计 中，对主机的能耗研究不 够深入。其实，主机框架在压制过程中产生的弹性变 形造成 的能量消耗也是很大 的，从理论上看 ，如果能 改善框架 的刚度 ，减小其弹性变形，就可以节约能 量 ，而且不 同的主机结构 形式有 着不同的刚度及节能 效果。作者基于这一 目的，研究梁柱式压砖机广泛使 用 的两种 主机结构 形式各 自的能耗情况并进行详细分 析，希望能为压砖机的设计和选型提供一些参考。 1 梁柱式全 自动液压压砖机主机结构 目前 中小 吨位 的压砖 机 机架 结构 形 式 多为 梁 柱 式，机架承受压制成形时的全部载荷，因此其强度和 刚度对整机的性能影响较大。目前广泛使用的梁柱式 液压压砖机的机架主要有以下两种结构形式普通梁 柱组合 结构和拉杆 一套筒梁柱组合结构 。 图 1为 普 通 梁 柱 组 合 结 构 ，由 上 、下 横梁 与立 柱 用 螺母 连 接 而 成 。装 配 时 ，用 拉力 千 斤 顶从 端 部拉 伸立柱使 之略微伸 长 也 可 加 热，使 之 伸 长 ，然 后 用 螺 母 拧 紧 ，以 产 生 一 定 的预 紧力 ，保证工作时梁 与 柱 台 阶 处 不 松 动 。 这种 结 构 加 工 和 装 配 方 便 ，而 且 立 柱 可 作 为动 梁 的导 向装 置 ， 图1 普通梁柱组合结构 导向刚度大 ，上模板的运动刚度高 ，提高了模具寿命 和砖坯 质量 。缺点是 工作 时 ，在 巨大 的压制力作用 下 ，立柱产生向内侧的弯曲变形 ，加快了动梁导套与 立柱 间滑动 面的磨损 。 图2为拉杆 一 套简梁柱组合机架 ，这种结构与梁 柱组合结构相近，不同的是立柱由拉杆及套在其外面 的套筒组成。装配时，拉杆两端分别穿过上、下横梁 的通孔 ，再用专用千斤顶将拉杆拉长 也可加热使 收稿 日期 2 0 1 01 1 1 9 作者简介黄志诚，硕士，研究方向为机械设计及理论。E ma i l h u a n g w u 5 5 5 s i n ．d ． c o 。 1 8 机床与液压 第 3 9卷 之伸长 ，最后 用螺母 拧 紧。这 样 ，拉 杆 受． 一 个预拉 力 。工 作时 ， 横 梁 机架承受 的为脉动载动梁 荷 ，循 环 特 征 r0 。 立 柱 施 以 预 拉 力 后 ，立柱 脉动 载 荷 与 预 拉 力 叠 加 ，改 变 了载 荷 的性套衙 质。如 果 设 计 得 当，底座 载荷 的循 环 特 征 可 大 些，载荷 性质接近于 静 载 荷 。这 样 一 来 ， 拉杆 就 可 以用 材 料 的 屈服 极 限而 不 用 持 久 极 限来进 行强度 校核 ， I 日 _ 西 f ＼ l l ＼ I 1 I 吖 1 _1匕 图2 拉杆 一套筒梁 柱组合结构 材料的能力得到充分利用，拉杆截面可以小些。 2 压砖机机架的有限元分析 该部分主要分析上述两种结构形式机架工作中的 变形情况，为能耗分析做准备。以某型液压压砖机为 例 ，其 主要参 数如 下 公称 压力 1 8 M N，立柱 间距 I 7 5 0 m m，最大填料高度 5 0 m m，动梁最 大行 程 1 6 0 m m，压制频率2 2次／ m i n ，安装功率 7 5 k W，立柱直 径 2 7 5 m m，套筒长度 1 3 0 0 m m，拉杆长度 3 0 5 0 iT l m， 弹性模 量 E2 ． 11 0 MP a 。经有 限元软 件 分 析后 ， 可得出普通梁柱组合结构和套筒拉杆式结构工作时伸 长量分别为 0 ． 4 4和 0 ． 1 8 m m，变形情 况分别如 图 3 4示 图3 普通梁柱结构立柱的变形图 图4 拉杆 一 套筒梁柱组合结构立柱变形图 3 能耗计算 得到压砖机工作时产生的变形量后 ，就可根据变 形能计算公式 1 却 计算机架 因变形消耗 的能 量 。下面就对上述两种结构 在工作 时产生的变形所消 耗 的能量进行一些 比较分析 。 3 ． 1 普通梁柱式组合结构 立柱在工作 时产生的变形 伸长为 A0 ． 4 4 m m，压砖机的压制力为P1 8 0 0 0 k N，代入上述公 式 即可得该种压砖机 工作一 次时因立柱变形而消耗 的 功为 A p 0． 5 0 ． 4 4 1 0一 1 8 0 0 1 0 3 9 6 0 J 以该压砖机每分钟行程次数 2 2次计算 ，每小时 压砖机因立柱变形消耗的功为 2 2 6 03 9 6 0 5 ． 2 2 7 21 0 。J ，相 当于每小 时耗 电 1 ． 4 5 2 k W h ； 每年 因立柱被 拉 长 做 的 无 用 功 折 算 成 电 能 为 E 1 ． 4 5 2 2 4 3 6 01 2 5 4 5 k W h 。压砖机 的主机 功率 P 7 5 k W，即每小时该液压压砖机所做 的总功 7 5 x 1 0 6 0 x 6 0 2 ． 7 x 1 0 J ，则压砖 机 因立柱 变形 所消耗 的功 占总功 的 1 ． 9 ％。 3 ． 2 拉杆 一套筒梁柱组合结构 该压砖机 的压制力 为 1 8 0 0 0 k N，通 过前 述有 限 元分析可知立柱结构在工作时产生的变形量 为 0 ． 1 8 m m，代入变形能公式后可得每次压制因机架变形而 消耗 的能量为 p 0 ． 5 0． 1 8 1 0 1 8 0 o 1 0 1 6 2 0 J 以该压砖机每分钟行程次数 2 2次计算 ，每小时 压砖机 因机架 变形 消耗 的功为 2 2 6 01 6 2 0 2 ． 1 1 0 J ，相当于每小时耗 电0 ． 6 k W h ，每年耗 电E 2 0 ． 6 2 4 3 6 05 1 8 4 k W h 。压砖机的主机 功率 P 7 5 k W，即每小时该液压压砖机所做 的总功 7 51 0 6 0 6 0 2 ． 71 0 J ，则 压砖机 因立柱 变形所 消耗 的功 占总功的 0 ． 8 ％ 。 拉 杆 一 套 筒梁柱组合结构压砖机工作时立柱 的变 形要 比普通梁 柱结 构 的变 形 小 ，△ A 0 ． 4 4 0 ． 1 8 0 ． 2 6 l n m，这 样 算 来 ，每 压 制 一 次 节 约 的 能 量 为 △ 1 △ 0． 5 0． 2 6 1 0 3 l 8 0 0 1 0 2 3 4 0 J ，折算成电能为每小时 0 ． 8 5 8 k g h ，每天节 约的能量为 △ 2 3 4 0 2 2 6 0 2 4 7 4 1 3 1 2 0 0 J ， 一 年可节约的能量折算成电能为 △ E 0 ． 8 5 8 2 4 3 6 07 41 3 k Wh。 4结论 1 压砖 机 由于机 架变 形而 消耗 的能 量 是很 可 观的。上述两种结构的立柱工作时被拉长而消耗的能 量 占总机能量的比重虽不大 ，但 由于压砖机是 2 4 h 下转第 3 6页 3 6 机床与液压 第 3 9卷 别为 1号 工 件 和 2号 工 件 ，其 加 工 设 备 为 G Z K 9 8 0 T D a 系统数控车床 ；毛坯材料为 4 5钢，直径 为 2 0 m m，有效 长度 为 5 0 0 m m，长径 比为 2 5 ，属 于 细长轴 ，且已经过粗加工 ；切削 刀具材料 为 Y T 1 5硬 质合金外圆车刀，刀具几何参数 。1 0 。 ， 9 0 。 ， A 0 。 ， 0 ． 5 m m；采用切削液进行冷却；切削用 量 为 0 。 1 m m、 f0 ． 1 m m ／ r 、 。 6 0 m ／ m i n ，因此 加工后的理想尺寸为 1 8 m m。第一次试验采用 C O 1 对 1号工件进行外圆车削，不采用宏程序补偿 ，加工完 成后 测 量 工 件 上轴 向均匀分 布的 l 0个 点处的直径。第二 i 次试验采用宏程序 补偿的方法对 2号 苦 工 件 进 行 外 圆 车 削 ，加 工 完 成 后 同 卅 样测量工件上轴 向 均匀分布的 1 O个点 处 的 直 径 测量 。两 图 7 细长轴车削加工试验结果 次测量结果见 图 7 。 车削试验中采用一顶一夹的方式装夹工件，因此 越接近 中部 ，细 长轴 的径向刚度越 低 ，在切削力的作 用下产生的弯曲变形越严重，工件 1 不采用数控宏程 序补偿 ，故工件 中部 的直径偏 大 ，两 头 的直径偏 小 ， 且其最大值 1 8 ． 0 9 4 m m出现在 中部偏右的位置，这 是因为床头刚度高于床尾的缘故。工件 2采用了数控 宏程序补偿，细长轴的直径尺寸变化不大 最大偏 移量 0 ． 0 3 m m ，比原来减少了0 ． 0 6 4 m m 。这说明采 用数控宏程序补偿车削过程的背吃刀量，对原加工误 差起着很好 的抵 消作用。 5结 论 通过分析切削加工过程中工件的受力，求出受力 变形的数学表达式 ，采用数控宏程序拟合加工，可以 人为消除工件的加工误差。实践证明该方法可以有 效提高细长轴的加工精度 ，也为提高机械加工精度提 供新思路。 参考文献 【 1 】郭建亮， 崔伯第 ， 郑书华． 基于切削力测量的细长轴加工 误差的在线补偿 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 1 2 6 66 7 ． 【 2 】蔡士兵， 陈树峰． 细长轴类加工误差分析 [ J ] ． 煤矿机 械， 2 0 0 5 1 0 9 2 9 3 ． 【 3 】王梅香． 细长轴车削新工艺[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 8 1 0 9 19 2． 【 4 】 胡月明． 高精度细长轴高效数控加工自 适应控制系统研 究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 7 8 0 8 2 ． 【 5 】 朱淑萍， 何祖舜 ， 葛建成． 机械加工工艺及装备[ M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 6 】范钦珊． 工程力学[ M] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 8 9 ． 【 7 】 李桂华， 费业泰， 马修水． 细长轴加工误差补偿原理 [ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 6 6 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