２０１９年第１期
摘要：利用SolidWorks 和AutoCAD 软件对小型挤压机主要零部件（张立柱，前梁，后梁等）
进行设计建模；并根据材料力学等相关知识对机架预应力进行计算，且对拉杆强度进行计算校核，确定该机架能够满足的工作条件。 关键词：挤压机；零部件；预应力；强度校核
作者简介：李健（1986-），男，辽宁辽阳人，大学本科，工程师，
主要研究方向：挤压设备智能优化。
小型挤压机主要零部件的建模及校核计算
李健，闻登沈，杨
程，刘遵港，张德龙，王春波
（营口忠旺铝业有限公司，辽宁营口115000）
随着机械、电气、计算机和液压技术的发展，挤压机在行业内的利用也愈来愈普遍，在机加工行业金属和塑料挤压机已经成为了不可缺少的设备。大
型挤压机的应用非常广泛，而在教学活动和小规模生产领域所能使用的、体积较小的小型挤压机的研究相对较少，因此发展小型挤压机就可在一定程度上解决此类问题，且方便在教学活动中进行实验及生产小体积管、棒、型材，减少不必要的场地占用。小型挤压机可用于食品加工及教学实验等领
域。王玉山［1］研究了一种小型铁屑挤压机，
用于将CNC 车床加工下来的铁屑、钢屑、铝屑挤压成块状的设备，便于各种屑的运输加工，体积小、操作简单、方便移动。杨玉芬等［2］研究了小型单螺杆挤压机，用于豆粕蛋白的组织化加工。裴志强等［3］研究了5MN 小型实验用卧式挤压机，可用于多种变形合金和黑金属的挤压。刘君等［4］研究了小型竹砧板挤压成型机，将竹青薄片挤压成砧板，这一设计解决了柔性材料的成型问题，且可将刚性材料挤压至致密状态。
本文主要针对小型挤压机的主要零部件进行建模及校核计算，确定小型挤压机主要零部件满足的工作条件。
１
lc谐振放大器
主要零部件的设计建模
1.1
微型压力传感器芯片
后梁的结构设计
挤压机最重要承载构件之一就是后梁。对于小
型挤压机后梁可以采取与主缸整体铸造的结构。在后梁的机构设计上首先要考虑在后梁安装张力柱，中心部分安装主缸，次来还可以留下一些空隙给将来安装辅缸留有余地。本次设计后梁结构为焊接件
结构［5］。后梁主要部件明细表如表1所示。
表１
后梁主要部件明细表序号
1234567
名称钢管1钢管2钢管3后面板前面板侧板筋板
数量4411188
材料202020Q235Q235Q235Q235
备注拉杆孔辅缸孔主缸孔
侧板有多种筋板有多种
后梁模型如图1所示。
1-钢管1（拉杆孔）；2-钢管2（辅缸预留孔）；3-钢管3（主缸孔）；4-后面板；5-筋板；6-侧板；7-前面板
图１
挤压机后梁模型
本次设计的机架后梁是焊接结构，其由前后面板、
筋板、侧板和为拉杆和缸体所预留的钢管构成。其中拉杆孔一共有4个，中心对称分布，辅缸预留孔为4个，中间圆筒安装主缸使用，在前面板留有螺纹孔。所有钢管焊接在前后面板上再加以筋板支撑，结构虽然相比铸造复杂但是多部件焊接不会造成铸造时的浪费，同时质量大大减小，且仍能保证结构的稳定性。
1.2前梁的结构设计
在前梁的设计上，首先要考虑的就是预应力拉杆的安装，保证拉杆的对正问题。其次需要在前两的中心留有通孔，使得型材能顺利从通孔中输送出去。本次设计的前梁，基于重量结构等因素也采用
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焊接件结构，各主要零件明细表如表2所示：
表２
前梁主要部件明细表名称钢管1空心台柱后面板筋板前面板侧板
数量411814
材料2030Q235Q235Q235Q235
备注拉杆孔辅缸孔筋板有多种
序号123456
其模型如图2所示：
1-钢管1（拉杆孔）；2-空心台柱；3-后面板；4-筋板；5-前面板
图２前梁结构图
12
3
4
5
本次设计的前梁为钢板焊接件机构，其主要有由前后面板、
4根钢管、一个空心台柱和8块筋板构成。其中空心台柱的轴心与后梁中间圆筒的轴心相重合，4根拉杆孔钢管与后梁的拉杆孔钢管同轴心，这5个部分的位置确定后，在前后面板上做相应的孔，在焊接，同后面板一样在构件之间加筋板以提高强度，在侧面焊接侧板达到外观美观的作用。1.3
张力柱的设计
本次设计采用的是预应力组合机架，其中拉杆在安装时采用加热预紧法［6，7］。因此要求在设计时需
考虑在拉杆两端设计深孔以方便在后期加热时将电阻丝插入孔中。届时由于热胀冷缩拉杆将在轴线方向上尺寸变大，此时将两端螺母旋紧，待拉杆冷却就能达到预紧效果。张力柱各部分明细见表3，拉杆预紧后装配方式如图3所示。
表３
张力柱主要部件明细表
名称螺母拉杆压套I 压套II 防松键螺栓M3X10数量
8422816材料
3535CrMo 35焊接件Q235
备注
预留轨道槽
焊接后续部件安装板
序号1234561-螺母；2-拉杆；3-压套；4-防松键图３
预应力拉杆装配结构
1
2
3
4
拉杆、螺母以及防松键的模型如图4所示：
（b ）螺栓模型、防松键模型
图４
拉杆、螺母、防松键模型
（a ）拉杆模型、剖面模型
图4（a ）中的剖面图所展现的深孔就是放入电阻丝进行加热的深孔，其实在加热预紧方面也有采用蒸汽加热的方法，但相比较而言采用电阻丝更加经济便捷，所需设备少。图4（b ）中当螺母拧紧后，在拉杆两端装上防松键，这样拉杆的安转工作就完成了。但张力柱上的拉杆上是不能在进行加工安装后续设备，比如动梁、轨道等部件，所以在张力柱外端安装压套。压套安装完成后，挤压机机架的主要部件就全部装完成。
压套模型如图5所示：
图５
压套模型
当压套安装后机架部分基本就安装完成，形成了以下几个方面的接触：螺母拧紧后与前梁后梁接
触，并伴随拉杆的预应力，紧紧压在前后梁上；螺母的对向压力作用在前后梁上，使得前后梁紧紧压在牙压套上。此时机架就被各个方向的力紧紧装配在一起，限制了各个零件的相对位移。其相互作用
力模型如图6所示。
1
2
3
4
1-螺母与拉杆相互作用；
2-螺母与后梁相互作用；3-压套与后梁的相互作用；4-压套与前梁的相互作用；5-压套与后梁的相互作用
图６
零件相互作用意图
5
1
９８
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图８
张力柱受力变形线图
２
机架预应力计算及拉杆强度校核
2.1
机架预应力计算2.1.1
预应力机架的基本结构
挤压机运行稳定、震动大小以及挤压型材的质
量与机架有着紧密的关系，因此需要对机架的预应力进行计算校核，对机架进行预紧，机架采用加热预紧的方式进行预紧，那么机架所需的预应力将在下面进行详细计算。
1.5MN 小型金属挤压机的预应力组合机架由前梁、后梁及四根张力柱组成。前梁和后梁都采用的是筋板结构的焊接件，张力柱的作用是支撑动梁、
模座等挤压机部件，其由预应力拉杆、压套、螺母及防松键组成，其结构如图7所示。拉杆材料采用3
5CrMo ，与前后梁共同组成预应力机架。在拉杆两端的预留深孔中插入电阻丝，拉杆受热轴线方向尺寸变大，旋紧固定螺母，冷却后就产生了预应力。
1-螺母；2-压套；3-后梁；4-拉杆；5-前梁；6-防松键
图７
机架结构图
6
5
4
123
2.1.2预应力机架的受力分析及计算
预应力机架的受力分析及计算参考王冬梅，郑
奕平等人的计算方法［8，
9］
。后梁后面板为机架的基准，后侧螺母进行定位，因为前后梁的刚性大且形变很小，因此忽略前后梁的变形影响。单根拉杆在未预紧的情况下是不受力变形的，当加热并拧紧螺母时，产生预应力Q p 压紧拉杆，此时拉杆和压套分别产生拉伸变形λb 和压缩变形λm ，
在挤压过程中，拉杆承受挤压力F 在拉杆的弹性范围内，所受拉力由Q p 增长至挤压过程总拉力Q ，伸长量增加△λ，压套的压缩量变小，其压缩量为λm ＝λm -△λ，支撑套的压缩力由Q p 减小至残余预应力Q 。图8中螺栓总拉力为Q ，螺栓预应力为Q p ，残余预应力为Q ″p ，公称挤压力F 。
由图8可知，拉杆的刚度为下式：C b =tan θb =Q p
λ０
（1）
压套刚度为下式：C m =tan θm =Q p
λm
（2）由式（1）（2）得螺栓的预应力为下式：Q p =Q ″p +（1-C b C b +C m
）F
（3）
如果要保证设备的运行稳定们就要保证螺栓连接的紧密性，就需要满足参与预应力Q ″p 大于公称挤压力，则得出下式：
Q p -（1-C b C b +C m
）F >F
（4）
现根据第三部分涉及拉杆及压套的相关截面尺寸进行刚度计算：
拉杆相关尺寸：
长度1095mm ，直径33mm ，材料为35CrMo ，弹性模量为210000MPa ；
压套相关尺寸：
长度730mm ，外径51mm ，内径36mm ，材料为35#钢，弹性模量212000MPa 。
C b =πd ２
E ４l =π
（33mm ）２
210000MPa ４×1095mm =0.16MN/mm
（5）
C m =π重金属快速检测
（D １２
-D ２２
）E ４l =π（512
-362
）212000MPa ４l =0.29MN/mm
（6）
挤压机的公称挤压力为1.5MN ，
4根预应力拉杆将前后梁拉紧，单根拉杆所受的挤压力为0.375MN 。
将式（5）、（6）的结果带入式（4）Q p >0.625MN +（
0.16MN/m 0.16MN/m ＋0.29MN/m
）0.625
MN
（7）
则计算结果为：Q p ≥0.508MN 螺栓总拉力为下式Q=Q p +△F （8）△F=C b C b +C m
F
（9）
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则由以上各式得出下式：Q p +C b C b +C m
F <［σ］Α
（10）
将以上各值带入式（10）中有下式：Q p <（222.25×3.14×0.332/4）-０．１６０．１６＋０．２９
×
0．375MN=1.143MN （11）
根据以上计算，机架预应力需满足：0.508MN<
Q P <1.143MN 。
在机架的承受范围内，预应力越大机架的稳定性和连接的紧密性就越高。但是预应力必须要满足拉杆的强度要求。2.2
拉杆的强度计算
拉杆强度校核参考魏军在《金属挤压机》一书中提出的校核方法
［10］
。拉杆长度1095mm ，直径33
mm ，
材料为35CrMo ，抗拉强度σb =985MPa ，屈服强度，抗拉强度因为挤压机主机是对称与中间平面，且偏心载荷不大，因此，假设载荷对称于中间平面。2.2.1
静强度计算校核
计算静强度时，假设前后梁的刚度无穷大，因此张力柱仅承受轴向拉力。其强度按下式计算：
σ1=F nA = 1.5MN ４π（33mm ２）
２
≈43.84MPa
（12）
σ1<［σ］=σS n =889MPa ４=222.25MPa
（13）
式中：F —挤压机公称挤压力，N ；A —没跟拉杆
的面积，mm 2；n —拉杆根数；［σ］—许用应力。2.2.2
疲劳强度计算校核
实际应用中发现，长期在交变载荷的作用下，会引起拉杆的疲劳，因此对张力柱疲劳强度的计算校核是很有必要的。拉杆的应力集中点是光滑部分与螺纹部分的过度区域，疲劳应力计算公式如下：
σp =K j σh ≤［σ0］
（14）
式中：σp —疲劳应力，MPa ；σh —静载时的合成应力，σh =σ１；K j —有效应力集中系数；［σ0］—许用疲劳极限，MPa 。
式（10）中，有效应力集中系数可按下式计算，即
K j =1+q （K t -1）=1+0.8（1.82-1）=1.656
（15）
式中：K t —弹性状态下理论应力集中系数，取值
太白参为1.82；q —与材料性能有关的应力集中敏感系数，
金属波纹膨胀节取值0.8。
故疲劳应力为下式：
σp =K j σh =1.656×43.84MPa ≈72.6MPa ≤［σ0］（16）疲劳应力为72.6MPa 。
许用疲劳应力为下式：
σ0=0.33（σs +σb ）=0.33（985MPa+889MPa ）=618.42MPa
（17）
［σ0］=εβn a
σ0=１．５×０．９×６１８．４２ＭＰａ１．５=556.6MPa全国身份证验证系统
（18）
式中：σ0—脉动循环时的疲劳极限；ε—尺寸系数；β—表面系数，对精车件可取为0.9；n a —安全系数。
综上所述，疲劳应力为72.6MPa ，许用疲劳应力为556.6MPa ，
因此张力柱符合标准。３结语
本文设计建立了小型挤压机机架的前梁、后梁及张立柱的模型；对机架进行预应力计算，得出机架预应力需满足：0.508MN<Q P <1.143MN ；对拉杆进行静强度和疲劳强度校核，得出拉杆均满足静强度及疲劳强度要求。
参考文献
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型机械，
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机械振动设计［M ］
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中国重型装备，2006，（3）：9-11.［8］王冬梅，李龙，胡晓龙.预应力机架预紧力的设计计算研究［J ］.锻压装备与制造技术，2014，（2）：18-19.［9］郑奕平，陈炜，杨伟国，等.预应力机架预紧力计算及应用［J ］
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