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      摘要：模鍛件熱傳導(dǎo)和輻射會造成鋼絲纏繞模鍛壓機機架和動梁溫度升高，使鋼絲層蠕變加劇、預(yù)應(yīng)力損失，液壓介質(zhì)性能下降，溫度場分析至關(guān)重要。運用ABAQUS 對400 MN 模鍛壓力機進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場有限元分析，研究頂出缸、動梁鋼絲層、機架鋼絲層等部位溫度場分布特征。結(jié)果表明，模具工作溫度300 ℃時，48 h 鋼絲層溫度不大于75 ℃，滿足設(shè)計要求，8.4 h 頂出缸油溫大于70 ℃，超出設(shè)計允許值。鑒于改善散熱條件無法有效降低油溫，提出缸底、端部加隔熱墊片(A)和模具、上模座間加隔熱墊片(B)兩種結(jié)構(gòu)改進方案，經(jīng)模擬驗證，方案B 效果佳，48 h 頂出缸油溫低于70 ℃，滿足設(shè)計要求。有限元分析結(jié)果與溫度場測量結(jié)果基本吻合驗證了模型的合理性，溫度場分析為壓力機結(jié)構(gòu)設(shè)計及鍛造工藝制定提供有益參考。

      重型模鍛壓力機是航空、航天、船舶等行業(yè)生產(chǎn)大型模鍛件如整體承力框、渦輪盤等的基礎(chǔ)裝備，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863 計劃，2012AA040202)和國家科技支撐計劃(2007BAF05B02)資助項目。20140128 收到初稿，20140726 收到修改稿它是國家制造業(yè)綜合實力的標(biāo)志。400 MN 模鍛壓力機機架、主缸、動梁等核心部件采用了剖分坎合、鋼絲纏繞預(yù)緊技術(shù)，較整鑄結(jié)構(gòu)有承載能力強、疲勞壽命高、成本低等優(yōu)點[1-3]。在坎合結(jié)構(gòu)中，可靠的鋼絲預(yù)緊力對保持機架完整性，提高其抗疲勞性和可靠性有重要意義。通常，鋼絲內(nèi)部的原子擴散和位錯攀移，會使其預(yù)應(yīng)力隨時間而降低，產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，應(yīng)力松弛對溫度格外敏感，重型裝備預(yù)應(yīng)力鋼絲工作溫度一般低于80 ℃[4]。常溫下，鋼絲應(yīng)力即使低于屈服極限，也會隨時間產(chǎn)生持續(xù)變形，即發(fā)生常溫蠕變現(xiàn)象。林峰等[5]研究表明，當(dāng)鋼絲工作溫度低于75 ℃時，其蠕變量很小，當(dāng)溫度高于75 ℃時，蠕變量急劇增大，75 ℃是預(yù)緊鋼絲最佳工作溫度上限。

       可靠的液壓系統(tǒng)對確保模鍛壓力機安全運轉(zhuǎn)至關(guān)重要，液壓油作為液壓系統(tǒng)的能量傳輸介質(zhì)，其溫度、黏度指標(biāo)要求嚴(yán)格。溫度過高，會帶來諸多危害，如造成液壓油黏度下降、泄漏嚴(yán)重、系統(tǒng)效率降低，油液氧化嚴(yán)重、壽命縮短，元件潤滑不良、磨損增加，密封件易老化等[6]。按系統(tǒng)設(shè)計要求，液壓油工作溫度應(yīng)低于70 ℃。

       如圖1 所示，400 MN 壓力機機架1 和動梁體2分別由20 個和4 個子塊坎合并經(jīng)鋼絲纏繞而成，二者通過側(cè)面45°導(dǎo)軌副聯(lián)接，頂出缸安裝于動梁下墊板4 內(nèi)部(圖1 中放大部分)，其作用是將鍛件從上模中頂出，下墊板通過上模座5 與上模6 相連接。模鍛過程中，一方面，由于上模、上模座、下墊板間的熱傳導(dǎo)作用，頂出缸和動梁鋼絲層溫升明顯，另一方面，靠近模具的立柱內(nèi)側(cè)由于熱輻射作用，溫度也會顯著上升。因而，對機架部分區(qū)段鋼絲層、動梁鋼絲層以及頂出缸等部位進行溫度場計算，對裝備安全可靠運行具有重要意義。

      
                          圖1 400 MN 模鍛壓機機架及動梁結(jié)構(gòu)示意圖

     1. 機架2. 動梁體3. 鋼絲層I 4. 下墊板5. 上模座6. 上模7. 下模8. 鋼絲層II 9. 缸體10. 活塞桿11. 導(dǎo)向套12. C 形環(huán)

     解析法只能求解簡單溫度場問題，工程中常采用數(shù)值模擬輔以試驗驗證進行溫度場研究，有限元法是應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬工具。吳生富[7]基于Marc 平臺對150 MN 鍛造液壓機進行溫度場及變形分析，研究了鍛件溫度對機架間隙及面壓的影響；李潤方等 采用2D、3D 結(jié)合的方法并考慮熱軋時溫度效應(yīng)求解了軋機應(yīng)力-應(yīng)變場，重型模鍛液壓機多部件系統(tǒng)整體熱分析不多見。

     本文運用有限元軟件ABAQUS 對400 MN壓機進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場分析，研究關(guān)鍵部位溫度場分布特征。模擬表明頂出缸油溫溫升過高，提高局部和整體散熱系數(shù)，抑制其溫升效果不明顯；提出兩種隔熱設(shè)計方案，并進行模擬驗證，證明上模座和模具間加設(shè)隔熱墊方案最優(yōu)，為隔熱設(shè)計方案在工程中應(yīng)用提供了依據(jù)。模擬結(jié)果與溫度場實測結(jié)果基本吻合驗證了有限元模型。

     1 、計算模型建立

      1.1 幾何模型

      400 MN 模鍛壓力機外形尺寸21.6 m×8.8 m×5 m，由近百個部件、數(shù)千零件組裝而成，模型需要合理簡化，對機架、動梁、下墊板、頂出缸、上模座、模具等相關(guān)部件進行建模，并做簡化和清理，為研究頂出缸內(nèi)液壓油溫度場分布，對缸內(nèi)上、下腔油液進行近似等效建模。根據(jù)幾何模型及邊界條件對稱性，采用1/4 模型 ，以Parasolid 格式導(dǎo)入ABAQUS，壓機幾何模型見圖2a。

                         圖2 400 MN 模鍛液壓機模型

     1.2 有限元模型

      裝配模型中多數(shù)零件不規(guī)則，采用適應(yīng)性強DC3D4 四節(jié)點線性傳熱單元，規(guī)則零件和重點關(guān)注部位，如動梁及機架鋼絲纏繞層，頂出缸等采用精度較高的DC3D8 八節(jié)點線性傳熱單元。機架單元特征尺寸取200 mm，動梁、鋼絲層、頂出缸依次取100 mm、50 mm、10 mm，離散后得到圖2b 液壓機有限元模型，模型節(jié)點數(shù)為169 172，單元數(shù)為364 081。

     機架、動梁、上模座材料大體為ZG35CrMo、GS20Mn5N，鋼絲材料65Mn，其密度、比熱容、熱導(dǎo)率等熱物性參數(shù)相近，按碳鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc≈0.5%選取 ，鋼及液壓油熱物性參數(shù)見表1。

                                           表1 材料熱物性參數(shù)

     1.3 壓力機傳熱模型

     重型壓力機模鍛過程中，大型鍛件可看作系統(tǒng)中的熱源，壓力機溫度場取決于鍛件-模具-壓力機-環(huán)境所構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)的熱交換過程。壓機溫度場分析重點要考慮鍛件及模具對機架立柱段的輻射作用，以及模具對上模座、下墊板、動梁的熱傳導(dǎo)作用。

     鍛件及模具材料、尺寸、形狀、鍛造溫度、鍛造工藝具有多樣性，鍛造生產(chǎn)過程連續(xù)進行，模具連續(xù)多次吸、放熱，其溫度始終在變化，這些因素給模擬初始條件確定帶來困難。以TC4 大型框架熱模鍛工藝為例 ，給定坯料始鍛溫度920 ℃，模具預(yù)熱(工作)溫度300 ℃；連續(xù)工作時模具外表面離熱源較遠(yuǎn)，處于溫度下降區(qū)，且上模吸熱量小，實際表面溫度會略低于300 ℃[13]。結(jié)合近期西安400MN 模鍛壓機服役過程中實測模具表面溫度為

      2、 計算結(jié)果及討論

     2.1 壓力機溫度場穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果

     圖3 是模具表面溫度300 ℃條件下，壓力機溫度場分布等值線圖(3 維傳熱為等溫面)，圖3 表明，模具表面溫度為300 ℃，以其為中心向上依次降低，上模座溫度為93.9～297.4 ℃，下墊板溫度為58.1～190.9 ℃，動梁溫度為29.8～123.3 ℃，動梁鋼絲層最高溫度為86.2 ℃，超過設(shè)計許可值75 ℃，機架立柱最高溫度為102.2 ℃，鋼絲層最高溫度為39.6 ℃，滿足設(shè)計要求。重點關(guān)注頂出缸溫度場分布，提取局部等溫線圖(圖3b)，最高溫度187.6 ℃位于下端C 形環(huán)處，向上逐漸降低降至135.3 ℃，下腔和上腔油溫遠(yuǎn)超出許可值70 ℃。

      3、 模具300 ℃時壓機及頂出缸溫度場分布

      鍛件材料、模鍛工藝等因素影響模具溫度，改變模具溫度初始邊界條件，研究其對壓機溫度場影響，結(jié)果見圖4。圖4 表明，立柱、動梁鋼絲以及液壓油最高溫度隨模具工作溫度升高而升高，液壓油及動梁鋼絲溫度與模具溫度保持線性關(guān)系，立柱鋼絲溫度與模具溫度關(guān)系為非線性。分析其原因，一方面，模具、上模座、下墊板至動梁這一傳熱途徑以熱傳導(dǎo)為主，計算中材料熱導(dǎo)率、比熱容、界面換熱系數(shù)都按常量近似處理，消除了傳熱計算中的材料非線性和邊界非線性因素的影響，故輸入、輸出量間呈近似線性關(guān)系；另一方面，模具與機架間傳熱是以熱輻射方式進行，導(dǎo)致立柱鋼絲與模具溫度間呈非線性關(guān)系。

                     圖4 不同模具溫度下，鋼絲層、液壓油最高溫度

      圖4 表明，模具溫度低于400 ℃，立柱鋼絲溫度低于75 ℃，始終滿足設(shè)計要求，模具溫度低于248 ℃時，動梁鋼絲溫度滿足要求，只有當(dāng)模具溫度低于105 ℃時，頂出缸油溫才低于70 ℃，正常模具工作溫度300 ℃時，其溫度達(dá)到181 ℃，遠(yuǎn)超出許可值。需要說明的是，這里忽略了缸內(nèi)油液與液壓系統(tǒng)間的換熱，由于液壓系統(tǒng)正常工作溫度低于70 ℃，頂出缸動作時部分熱量會被油液帶走，使缸內(nèi)溫度下降，但液壓缸動作時間短，大多處于收回鎖止?fàn)顟B(tài)，通過管道、閥及油液與液壓系統(tǒng)間的換熱量很小，按忽略簡化處理。

      穩(wěn)態(tài)分析是溫度不隨時間變化的最終平衡態(tài)，是一種極限狀態(tài)，或需相當(dāng)長時間才能達(dá)到，進一步對壓力機傳熱進行瞬態(tài)分析。

      2.2 壓力機溫度場瞬態(tài)分析結(jié)果

      根據(jù)穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果，分別對模具溫度100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃等工況進行了瞬態(tài)分析。圖5 是各工況下，動梁鋼絲層和頂出缸液壓油最高溫度時間歷程。曲線表明，模具溫度高，鋼絲和油液溫度時間曲線斜率數(shù)值大，溫度上升速度快，同一時刻溫度值高。單條溫升曲線來講，最初曲線斜率很小，溫升慢，中間段斜率較大且近似常數(shù)，后段斜率再次減小，隨時間曲線趨于其穩(wěn)態(tài)值。該現(xiàn)象可由動梁鋼絲和液壓油在傳熱過程中，其高、低溫端溫差由小到大再到小的變化特點來解釋。

      
  
      圖5 不同模具溫度下，動梁鋼絲、液壓油溫度時間歷程

      圖5 表明，動梁鋼絲距熱源遠(yuǎn)，溫升慢，頂出缸離熱源近，溫升快，模具400 ℃工況下，48 h 后鋼絲溫度為61.7 ℃，滿足設(shè)計要求。而油溫為6.6 h 達(dá)到70 ℃，模具300 ℃工況下，油溫為8.4 h 達(dá)到70 ℃。補充數(shù)據(jù)點，得到滿足油溫70 ℃，模具工作時間與模具溫度的關(guān)系曲線(圖6)，當(dāng)模具溫度為104 ℃，油液穩(wěn)態(tài)溫度為70 ℃，其工作時間可無限延長，104～300 ℃區(qū)間內(nèi)，隨模具溫度升高，其工作時間急劇下降，300 ℃工況下，只能連續(xù)工作8.4h，高于300 ℃時，工作時間變化平緩，當(dāng)模具溫度達(dá)到700 ℃時，工作時間為4.4 h，進一步提高溫度，時間變化不大。圖6 曲線作為設(shè)備正常工作的約束條件在制定工藝和安排生產(chǎn)時要有所考慮。

      
  
     圖6 連續(xù)工作時間與模具溫度關(guān)系

    瞬態(tài)分析結(jié)果表明，動梁鋼絲溫度可滿足設(shè)計要求，頂出缸油溫?zé)o法滿足較長時間連續(xù)工作的要求，故壓力機結(jié)構(gòu)設(shè)計或工裝模具設(shè)計，需要考慮頂出缸的散熱、隔熱問題。
 

    2.3 散熱、隔熱設(shè)計及模擬驗證

     控制頂出缸油溫有兩個途徑：一是強制散熱、改善頂出缸局部散熱條件或壓機整體散熱條件，加快熱量散出；二是采取隔熱措施阻斷熱量由模具向頂出缸流入。

     強制散熱一般可考慮水冷，即在上模座內(nèi)部設(shè)計冷卻管道，用冷卻水強制散熱，由于水的熱導(dǎo)率是空氣的100 多倍，散熱效果好，缺點是上模座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，有額外能源消耗。另外也可保持上模座結(jié)構(gòu)不變，用風(fēng)冷強制散熱，缺點是散熱效果較差，同樣存在額外能源消耗。由于水冷方案需要修改上模座結(jié)構(gòu)、制造成本高、額外能源消耗大，本文僅對風(fēng)冷方案進行研究，分別改變表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h 和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hl 進行模擬計算，研究其對油溫和工作時間的影響。

             圖7 不同表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下，油溫、鋼絲溫度變化歷程

      
                圖8 不同局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，油溫、鋼絲溫度變化歷程

     圖7、8 表明，隨表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h 增大，油溫、鋼絲溫度微降，在低溫段溫度變化甚微；缸體局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hl 增大對鋼絲溫度場幾無影響，高溫段可明顯降低油溫，但低溫段降溫作用不明顯，hl提高8 倍到16 W/(m2·K)，工作時間由8.4 h 延長至9 h，因此，提高h(yuǎn) 或hl 對降低油溫、延長工作時間效果不明顯。

      風(fēng)冷強制散熱降溫效果不佳，考慮隔熱設(shè)計。選用絕熱纖維陶瓷墊片做隔熱材料，熱導(dǎo)率為0.08W/(m·K)，比熱容為1 050 J/(kg·K)，密度為200kg/m3，其具有低熱容、低熱導(dǎo)率、機加工性能好、強度高、柔韌性高等特點，適用于高溫環(huán)境下隔熱、密封等。

      隔熱設(shè)計提出兩種方案：方案A，在缸底與下墊板間及C 形環(huán)與導(dǎo)向套間各加墊5 mm 纖維陶瓷墊片(圖1)；方案B，在模具與上模座間加5 mm 隔熱墊，兩種方案計算結(jié)果見圖9。

      
     圖9 初始設(shè)計與隔熱方案A、B 油溫時間歷程比較
 

     由圖9 可看出，與初始設(shè)計相比，兩種隔熱設(shè)計方案均能大幅度降低頂出缸油溫，從而提高設(shè)備連續(xù)工作時間。模具溫度300 ℃時，油溫低于70 ℃，方案A、B 可分別連續(xù)工作20 h、48 h 以上。兩方案比較，B 隔熱效果明顯優(yōu)于A，分析原因，A 對缸端部及底部進行了隔熱處理，減少了局部熱量輸入，但下墊板溫度偏高，以熱輻射方式傳熱給缸筒，提高了油溫。方案B 直接阻斷了熱量從模具到上模座的傳輸，其隔熱更徹底，效果更好。圖10 是初始設(shè)計和隔熱方案A、B 保持油溫70 ℃，壓力機連續(xù)工作時間與模具溫度間的關(guān)系。

      3 條曲線趨勢相同，隨模具溫度提高工作時間縮短，方案A 較初始設(shè)計連續(xù)工作時間提高1.4 倍左右，方案B 提高4～7 倍，模具溫度400 ℃時，采用方案B 壓力機可連續(xù)工作56 h。

      
                       圖10 油溫70 ℃，連續(xù)工作時間與模具溫度關(guān)系

     根據(jù)模擬計算結(jié)果，400 MN 模鍛壓力機在實際生產(chǎn)過程中，采用了上模座和模具間加設(shè)10 mm石棉隔熱墊的方案，該方案不需要調(diào)整頂出缸結(jié)構(gòu)安裝尺寸鏈，實施方便，實際應(yīng)用中隔熱效果良好，有效降低了油溫和鋼絲溫度，確保設(shè)備安全、可靠運轉(zhuǎn)。2012 年3 月，西安400 MN 模鍛壓力機熱試成功(圖11)。

     圖11 400 MN 模鍛壓力機熱試及測溫點布置

     2.4 壓力機模鍛溫度場測試

     為驗證計算模型，針對實際生產(chǎn)中普通模鍛工藝(環(huán)境溫度為34 ℃，模具預(yù)熱溫度約為300 ℃，10 h )和熱模鍛工藝(環(huán)境溫度為27 ℃，模具預(yù)熱溫度約為600 ℃，18 h)進行了溫度場測試，測溫儀器為手持式紅外測溫儀。

     動梁、立柱鋼絲層及液壓缸等部位制造時未置測溫元件，直接測量內(nèi)部溫度有困難，故測量了圖11 中動梁(A1、A2、A3)、下墊板(B1、B2、B3)、模具(C1、C2、C3)以及立柱(外側(cè)E1、E4，內(nèi)側(cè)E2、E3)等部件外部特定區(qū)域的表面溫度，分別與計算結(jié)果進行對比，見表2。

                                    表2 壓力機溫度場測量值與計算值比較

      從表2 可知，兩種工藝條件下，壓力機特征區(qū)域溫度計算值與測量值基本吻合，誤差在12%以內(nèi)，驗證了有限元模型的合理性。

       根據(jù)有限元計算，熱模鍛工藝條件下，立柱鋼絲、動梁鋼絲、油液最高溫度分別為31.5 ℃、30.4 ℃和57.7 ℃，普通模鍛工藝條件下，三者分別為34.2 ℃、34.3 ℃和40.1 ℃，均滿足設(shè)計要求。

       3 、結(jié)論

      (1) 模具溫度300 ℃無隔熱措施條件下，400MN 液壓機長時間工作(48 h)，立柱及動梁鋼絲層溫度低于75 ℃，滿足設(shè)計要求，頂出缸油溫超出設(shè)計要求，液壓機傳熱分析需要重點關(guān)注頂出缸油溫控制。     
      (2) 風(fēng)冷強制散熱，提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h 和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hl 對油溫改善不明顯，結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計是有效控制油溫的手段。
     (3) 模具和上模座間加隔熱墊可有效阻斷熱源，較頂出缸兩端加隔熱墊方案優(yōu)，控溫效果明顯，模具溫度400 ℃壓機可連續(xù)工作56 h，該方案在工程實際中得到應(yīng)用。
     (4) 模擬結(jié)果與溫度場測試結(jié)果基本吻合驗證了400 MN 模鍛液壓機溫度場計算模型合理。