基于Pro E-Mechanica新型压榨机顶板设计与分析

郭崇嵩，周 忍

(1.简森工业洗涤技术(徐州)有限公司，江苏 徐州 221000； 2.徐工消防安全装备有限公司，江苏 徐州 221000)

0 引 言

工业洗涤机械属于机械制造行业的一个分支[1-2]。近年来高效，高可靠性，高自动化的洗涤生产线不断发展，形成洗-压-烘-烫-叠，一体的现代化生产线。对相应的洗涤机械提出了更高的要求，机械结构本身的结构轻量化，可靠性以及加工便捷化显得更为重要。笔者所介绍的压榨机是洗涤生产线中必不可少的核心机器之一，可以快速脱除洗涤物中的水分。[3]机器的可靠性关系到整个生产线的平稳高效的运行，压榨机顶板是压榨机的主要核心零部件之一，目前已存在的顶板结构为钢板拼焊，其结构笨重、加工工艺复杂、焊接变形难以控制，在加工生产，运输安装过程中均存在不同程度的问题。笔者根据顶板的受力特点和压榨机的工作原理创新设计了一种新的顶板结构，并使用ProE-Mechanica对新、旧两种结构进行有限元的对比分析，观察受力以及变形结果并进行结果讨论[4]。

1 顶板结构模型建立

目前市场上存在的顶板结构多数为钢板拼焊的框架结构，为了保证顶板结构的强度和刚度，结构形式比较笨重，实际加工中焊接量较大，焊接变形较严重，后续加工难度较大，其主要结构形式如图1所示(为了方便后续比较，该种结构形式定义为TP1)。

图1 TP1三维结构模型及断截面形式

TP1结构模型参数属性如表1所列。

表1 TP1结构模型参数表

压榨机顶板的位置为机器的上部，上面安装执行油缸，液压站，电器柜等部件，工作原理如图2(a)所示：湿布草进入容器中，主油缸下压进行布草脱水，之后使用推板将压成饼状布草推出，然后进入到下一个循环。

图2 压榨机工作原理

根据工作原理可以得出顶板为整个机器的核心受力部件，而顶板中间主油缸安装位置以及周圈四处固定位置为主要受力的位置，即图3中A～G中各点，故在拓扑优化的过程中考虑在A-E、B-F、C-G、D-H以及E-F-G-H位置处增加加强筋，针对受力较小的阴影部位进行了“挖空“处理，在保证零件刚度强度的基础上，减小了零件的重量。同时考虑加工工艺，新结构形式采用铸造的加工方式，解决了焊接工艺变形的问题，结构形式定义为TP2。

图3 TP2受力分析及三维结构模型

优化后的TP2结构模型参数属性如表2所列。

表2 TP2结构模型参数表

由上表可以看出新结构重量比原结构重量降低400 kg，实现了产品的轻量化设计。下面我们基于ProE-Mechanica对两种结构进行有限元分析，一方面验证拓扑优化过程中对顶板受力分析的正确性，另一方面从应变大小和变形量两个维度对新旧两种结构进行分析评价。

2 受力模型建立

为了保证对比结果的有效性，对于两种模型采取同样的加载方式，受力的简化力求与实际受力情况一致。

2.1 受力分析

(1) 根据压榨机主要的工作原理，主油缸承载最大压力时，此时由油缸下压产生的支反力最大，顶板受力最大。

(2) 在主油缸承载最大压力时，两侧的辅助油缸需要持续提供一定的下压载荷，对顶板产生一定的支反力。

(3) 顶板上安装有液压站和电器柜等零部件，该部分零部件的重力需要添加到计算模型中。

综上所述，将受力模型变量的目标函数设计为：

X=[F1,F2,G1,G2]T

式中：F1为主油缸产生支反力；F2为辅助油缸产生支反力；G1为液压站重力；G2为电器柜重力。

图4 TP受力简化模型

2.2 受力计算

目前市场上最普遍的压榨机在顶板受力最大时，压榨布草的压力P1为37～40 Bar。此处取40 Bar进行计算，主油缸承载最大压力是，两侧辅助油缸施加的下压载荷经验值P2为：60 Bar。

F1=Pi*S

式中：P为油缸施加的压力；S为相应压力作用的面积；i=1,2。

经过计算可以得出相应的载荷如表3所列。

表3 受力模型参数表

3 模型加载及有限元分析

将上述载荷分别加载到相应的结构模型中进行有限元分析，主要从结构的受力和变形两个维度来考察结构的优缺点[5]。

加载过程中将顶板底部4处安装面进行全约束的简化处理，分别添加目标载荷进行计算。

3.1 结构的应力云图

如图5所示，经过加载计算得到两个不同结构形式的应力云图。

图5 应力云图

3.2 结构变形云图

两种结构有限元分析计算后得到的变形云图如图6所示。

图6 变形云图

4 结果对比及分析

经过有限元分析计算可以得出上述两种结构的最大应力值和最大变形值如[6]表6所列。

从上表中可以看出，虽然两种结构模型都能够满足正常的工作要求，但TP2的应力和变形状态要优于TP1，其中应力值TP2比TP1小89%，变形量TP2比TP1小15%，同时TP2结构要比TP1结构轻量化23.5%。

表4 结果分析对比表

考虑客户端安装空间和安装工具都有很大的局限性，顶板的重量是机器比较关注的参数之一，重量越小对运输以及安装都有着比较大的优势； TP2结构形式为整体铸件，TP1结构形式为板材拼焊，新结构成功的解决了焊接过程中变形量较大的这个问题，提高了加工的便捷性。符合机器安全，可靠，高效，轻量化的发展趋势。综上所述，TP2结构形式要优于TP1结构形式。

5 结 语

建立三维结构模型，通过拓扑优化模型设计、受力分析、有限元分析对两种压榨机顶板结构从应力，变形和自身质量方面进行了对比分析。一方面有限元分析的受力状态和理论分析的受力状态一致：顶板的主要受力和变形部位为中间主油缸安装部位，其余部位受力和变形很小，可以进行优化设计。另一方面虽然两种结构形式均可以满足目前工作需求，但通过分析看出新结构形式比旧结构要好，应力和变形更小，同时实现了产品的轻量化。本文系统直观的阐述了压榨机顶板的受力变形情况，提出了一种更优结构形式，同时分析了受力分布状态，为后续其他零部件的进一步优化设计提供了相应的理论依据。