压曲机机架的有限元优化分析

邢耀文

（山西杏花村汾酒集团有限责任公司，山西汾阳032205）

0 引言

汾酒素以入口绵、落口甜、饮后余香、回味悠长特色而著称，是中国四大名酒之一［1］。曲块的好坏在很大程度上直接影响到酒的质量和特色，酿出优质白酒的前提是制出优质的曲块。汾酒集团最初采用人工方法制曲，人工踩曲所形成的曲块质量较好，但工人劳动强度大、工作环境差、效率较低［2］。随着国内工业产业的发展，机械制曲逐渐代替了人工踩曲，机械制曲效率高，工人劳动强度低［3］。本文以汾酒集团大曲厂曲块生产设备中所使用的第二代液压压曲机为例，介绍其基本机构及工作原理，并对其机架底座部分进行了有限元优化分析。

1 压曲机总体结构及工作原理

液压压曲机曲块压制部分的总体结构示意如图1所示，其主要包括动力部分、机架底座、机架上盘、压曲转盘、龙门架组件、横梁组件和压锤组件等。

图1 液压旋转压曲机压曲部分结构示意图

横梁组件和压锤组件通过龙门架固定在机架底座上，曲块模盒安装在压曲转盘上，位于压锤组件的正下方且与其形成互相配合关系，以压制曲块。

本装置的动力源为液压马达，由液压马达带动压曲转盘转动，曲块模盒固定于压曲转盘之上。横梁两端分别通过一个液压油缸与龙门架相联，液压油缸的伸缩带动横梁的上下运动，进而带动压锤组件的上下运动。八个曲块模盒对应八个压锤组件，曲块模盒在压曲转盘上转动一个位置，液压缸运动一次，带动横梁和压锤组件对曲料踩压一次。曲料从进入压曲模盒到压制成曲块共经过七次踩压，最后一次直接将成型的曲块压出模盒，掉落到输出传送带上。

2 机架三维建模

在液压旋转压曲机中，机架底座是主要的承载部件，其强度和变形直接影响设备的可靠和产品的矫平精度［4］，因此，有必要对机架底座进行三维建模并进行有限元分析研究。在压曲机中，机架下与地面固定连接，上则承受压曲主机的所有重量，机架主要采用矩形空心型钢焊接而成，并在与地面相连接的位置处焊接有带有螺纹孔的钢板。对机架底座在SolidWorks中进行三维建模，模型如图2所示。

图2 机架底座三维模型

3 有限元优化分析

3.1 网格划分

在Engineering Data中定义机架底座的材料属性，选用工程数据材料库中的结构钢。导入在SolidWorks中建立好的机架底座三维实体模型后，将材料属性赋予机架。网格划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限元分析的关键工作，网格划分的质量和优劣将对计算结果产生相当大的影响［5］。本文中采用默认方式对机架底座进行网格划分，划分后的机架底座具有56 944个节点，8 152个单元，机架底座的有限元模型如图3所示。

3.2 有限元分析

机架底座主要承受机架上盘、压曲转盘、龙门架组件、横梁组件、压锤组件以及在踩压过程中压力系统的下压力，通过估算得出，机架底座所承受总的压力约为70 000 N。机架底座上面受压，下面通过10个地脚板与地面连接。因此，设置时约束10个地脚板，并且对机架上面添加均布载荷。进行计算求解，最终得出机架的等效应力、等效应变和总变形云图，分别如图4～图6所示。

图3 机架有限元模型

图4 等效应力云图

图5等效应变云图

图6 总变形云图

结果显示，机架的最大等效应力为183.4 MPa，发生在边角处；最大等效应变为9.2×10-4，同样发生在边角处；最大变形量为0.94 mm，发生在型钢中间处。由此可见，机架的最大等效应力和最大变形量都较小，但其最大等效应力接近结构钢的屈服强度（这里以Q235为例，其屈服强度为185 MPa），因此，有必要对此机架底座进行结构优化，以保证使用过程中的安全。

3.3 结构优化

通过以上对机架底座的应力和应变的分析，找出机架底座结构中的薄弱部位［6］，在保证机架性能的前提下，不改变整体形状的同时尽可能的使机架质量不要过大。优化后的机架模型如图7所示，在等效应力及等效应变最大的边角处适当的加上角撑板。

图7 结构优化后的机架底座模型图

同样，在ANSYS Workbench中对优化后的机架底座划分网格，然后施加相同的约束和载荷，即10个地脚板地面为固定约束，机架上承受均布载荷。然后进行计算求解，最终得出优化后机架的等效应力、等效应变和总变形云图，分别如图8～图10所示。

图8 优化后机架的等效应力云图

图9 优化后机架的等效应变云图

图10 优化后机架的总变形云图

结果显示，机架的最大等效应力为116.82 MPa，最大等效应变为5.8×10-4，最大变形量为0.57 mm。与优化前相比，优化后的机架底座总体性能有了大幅度的提高，其安全性可靠性更强。

4 结论

通过SolidWorks对液压旋转压曲机机架底座进行三维建模并运用ANSYS Workbench对机架底座进行有限元分析，在有限元分析的基础上进行了结构优化设计。优化后的机架底座总体性能有了大幅度的提高，不但满足工程使用需求，而且提高了机架底座的结构强度，提高了其工作的安全可靠性，并为机架的设计提供了依据。

［1］ 阎恩俊.山西汾酒发展史上的一件珍贵史料［J］.史海揭秘.，22（1）：44-45.

［2］ 付捷，崔勇，罗钢，等.新型酒厂曲块粉碎除尘成套设备研制［J］.酿酒科技，2008（7）：47-49.

［3］ 韩建华，寇子明.曲料输送系统的研究［J］.机械管理开发，2009，24（2）：37-39.

［4］ 王琳，王静，盛步云.七辊矫正机机架的有限元分析与优化［J］.武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2012，34（1）：34-37.

［5］ 郭威.带式输送机卸载架有限元分析［J］.机械管理开发，2013（3）：122-124.

［6］ 王耀.液压摆式剪板机机架有限元分析［D］.上海：同济大学，2006.