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摘要：数控螺旋耐火砖机具有操作简单、自动化程度高、稳定性好等优点，广泛应用于耐火砖生产企业。首先利用三维设计软件对6300KN数控螺旋耐火砖机建模装配，然后利用有限元法对压砖机机架进行预应力下的模态分析，分析其动态特性和固有频率，从而为快速开发产品，产品改造等提供参考。
关键词：耐火砖机；预应力；模态分析；固有频率
6300KN數控螺旋耐火砖机采用预应力拉杆的上下梁+四柱结构形式，机架上梁上驱动电机通过带传动带动螺旋飞轮、套轴与螺母一起频繁正反转运动，螺母驱动螺杆和上冲头上下运动，产生耐火砖成型打击力。砖成型后下梁有顶出机构将砖坯从下模具顶出从而完成压制工作。结构如图1所示。
1预应力模态分析理论
模态分析主要分析机架的固有频率和振型，无阻尼模态时动力学方程为：
[M]{ x″}+[K]{x}={0} （1）
[M]为质量矩阵；[K]为刚度矩阵；{x}为位移矢量；{x″}为加速度矢量。结构自由振动为简谐振动，即位移函数：
x=sin（ωt） （2）
式子（1）、（2）求解得
（[K]-ω2 [M]）{x}={0} （3）
自振频率f=ωi/2π；{x}i为自振频率对应的振型。预应力模态分析就即将载荷产生的预应力对结构刚度的影响因素考虑在内，并进行结构的自振频率和振型分析。由于电机和螺旋飞轮等在运转时会产生激振效应从而引发机架振动，当受迫振动激振频率接近机架固有频率时，会引发机架共振，严重影响压砖机的性能，甚至直接影响砖坯质量。
2有限元模型建立
该6300KN砖机模型采用三维软件建模装配，导入有限元软中，进入预应力模态分析模块。上下梁和立柱材料为HT250、密度为7200kg/m3、弹性模量为2.4E+08、泊松比0.28；拉杆及螺母、隔套材料为45钢、7850kg/m3、弹性模量为E=2.1E+08、泊松比为0.31，将上述材料属性添加各零部件模型中。进入网格划分步骤采用默认划分方式并设置单元大小为30mm。划分所得节点数为103899个，网格数量为249889个，网格模型如图2所示。
3压砖机机架模态分析
底部四脚和地脚螺栓孔进行全约束固定，在4个拉杆上总共施加1.4倍成形圧力为的预紧力（预紧力通常为成型力1.2-1.8倍、本次取1.4倍即8820KN）。设置模态提取阶数为4，进行求解然后设置模态扩展相关选项扩展处理；观察振型、应力分布、变形等模态分析结果。预应力下机架模态分析振型云图如图3、图4、图5、图6所示。
4结果分析
一阶振型（f1= 19.633Hz）机架沿X轴前后摆动，上梁拉杆顶端为振幅最大值0.31mm。机架上下摆动幅度不一致将影响上冲头底面与工作台平行度，从而影响砖坯质量，振型过大会加大冲头运动时与导向轨间磨损、影响其寿命，严重时导致冲头下落冲邦，损坏砖机模具。二阶振型（f2= 29.003Hz）机架沿Y轴左右摆动。上梁拉杆顶端为振幅最大值0.26mm。该振型情况与一阶振型基本相同，所造成的危害也相同。三阶振型（f3= 64.135Hz）机架中心Z轴处扭转摆动，由下向至逐渐增大最大振幅0.402mm。该振动将增大上、下梁、拉杆、套筒以及地脚螺栓的扭矩，加剧导轨磨损等。四阶振型（f4= 105.65 Hz）机架沿X轴前后弯曲摆动，立柱中间附近达到最大值1.17mm。该振型所造成危害与一、二阶振型大体相同，由于振幅的增大，危害也更严重。
从以上振型分析可以看出，机架不仅有左右、前后方向的弯曲振动，还有扭转振动等，这些振动将影响机架的刚度和强度、加重导轨磨损、影响砖机的寿命和砖坯的质量及模具的使用寿命。设计中适当增加局部刚度和阻尼来抑制这些振动的影响对机身动力性能有利。
5结论
本文通过利用三维软件对6300KN数控螺旋压砖机建模并利用有限元法对机架进行预应力下模态分析，得出低阶模态振型情况后进行结果分析，从而验证机架设计的合理性，为压砖机的生产或者后续改造等提供重要参考依据。
参考文献：
[1]徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1991.
[2]罗贤海.冯浩.陶瓷全自动液压压砖机有限元分析[J].中国陶瓷工业. 1999，6（4）：27-30.
作者简介：
范宦潼，1988.05，本科，河南省机械设计研究院有限公司助理工程师。
关键词：耐火砖机；预应力；模态分析；固有频率
6300KN數控螺旋耐火砖机采用预应力拉杆的上下梁+四柱结构形式，机架上梁上驱动电机通过带传动带动螺旋飞轮、套轴与螺母一起频繁正反转运动，螺母驱动螺杆和上冲头上下运动，产生耐火砖成型打击力。砖成型后下梁有顶出机构将砖坯从下模具顶出从而完成压制工作。结构如图1所示。
1预应力模态分析理论
模态分析主要分析机架的固有频率和振型，无阻尼模态时动力学方程为：
[M]{ x″}+[K]{x}={0} （1）
[M]为质量矩阵；[K]为刚度矩阵；{x}为位移矢量；{x″}为加速度矢量。结构自由振动为简谐振动，即位移函数：
x=sin（ωt） （2）
式子（1）、（2）求解得
（[K]-ω2 [M]）{x}={0} （3）
自振频率f=ωi/2π；{x}i为自振频率对应的振型。预应力模态分析就即将载荷产生的预应力对结构刚度的影响因素考虑在内，并进行结构的自振频率和振型分析。由于电机和螺旋飞轮等在运转时会产生激振效应从而引发机架振动，当受迫振动激振频率接近机架固有频率时，会引发机架共振，严重影响压砖机的性能，甚至直接影响砖坯质量。
2有限元模型建立
该6300KN砖机模型采用三维软件建模装配，导入有限元软中，进入预应力模态分析模块。上下梁和立柱材料为HT250、密度为7200kg/m3、弹性模量为2.4E+08、泊松比0.28；拉杆及螺母、隔套材料为45钢、7850kg/m3、弹性模量为E=2.1E+08、泊松比为0.31，将上述材料属性添加各零部件模型中。进入网格划分步骤采用默认划分方式并设置单元大小为30mm。划分所得节点数为103899个，网格数量为249889个，网格模型如图2所示。
3压砖机机架模态分析
底部四脚和地脚螺栓孔进行全约束固定，在4个拉杆上总共施加1.4倍成形圧力为的预紧力（预紧力通常为成型力1.2-1.8倍、本次取1.4倍即8820KN）。设置模态提取阶数为4，进行求解然后设置模态扩展相关选项扩展处理；观察振型、应力分布、变形等模态分析结果。预应力下机架模态分析振型云图如图3、图4、图5、图6所示。
4结果分析
一阶振型（f1= 19.633Hz）机架沿X轴前后摆动，上梁拉杆顶端为振幅最大值0.31mm。机架上下摆动幅度不一致将影响上冲头底面与工作台平行度，从而影响砖坯质量，振型过大会加大冲头运动时与导向轨间磨损、影响其寿命，严重时导致冲头下落冲邦，损坏砖机模具。二阶振型（f2= 29.003Hz）机架沿Y轴左右摆动。上梁拉杆顶端为振幅最大值0.26mm。该振型情况与一阶振型基本相同，所造成的危害也相同。三阶振型（f3= 64.135Hz）机架中心Z轴处扭转摆动，由下向至逐渐增大最大振幅0.402mm。该振动将增大上、下梁、拉杆、套筒以及地脚螺栓的扭矩，加剧导轨磨损等。四阶振型（f4= 105.65 Hz）机架沿X轴前后弯曲摆动，立柱中间附近达到最大值1.17mm。该振型所造成危害与一、二阶振型大体相同，由于振幅的增大，危害也更严重。
从以上振型分析可以看出，机架不仅有左右、前后方向的弯曲振动，还有扭转振动等，这些振动将影响机架的刚度和强度、加重导轨磨损、影响砖机的寿命和砖坯的质量及模具的使用寿命。设计中适当增加局部刚度和阻尼来抑制这些振动的影响对机身动力性能有利。
5结论
本文通过利用三维软件对6300KN数控螺旋压砖机建模并利用有限元法对机架进行预应力下模态分析，得出低阶模态振型情况后进行结果分析，从而验证机架设计的合理性，为压砖机的生产或者后续改造等提供重要参考依据。
参考文献：
[1]徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1991.
[2]罗贤海.冯浩.陶瓷全自动液压压砖机有限元分析[J].中国陶瓷工业. 1999，6（4）：27-30.
作者简介：
范宦潼，1988.05，本科，河南省机械设计研究院有限公司助理工程师。