连续压机活动式机架变形与热力耦合特性研究

China Forest Products Industry

连续压机活动式机架变形与热力耦合特性研究∗

陈光伟1 李艳娜1 花 军1 陈相宇1 林送峰2

（1.东北林业大学机电工程学院， 哈尔滨 150040； 2.黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨 150080）

摘要： 为研究连续压机机架变形及热力耦合效应对其性能的影响，根据人造板生产热压工艺，确定了高压段机架受载条件；基于CPS型压机机架，设计一种可活动式机架，根据材料力学理论分析、求解了活动式机架中主要构件的受载变形情况，确定了活动式机架立柱与上、下横梁的主要结构尺寸；利用软件建模分析方法，建立了活动式机架结构模型，得出机架温度场与热应力分布状况，分析了热力耦合效应与静载条件下机架结构的应力、应变分布状态。结果表明：热力耦合效应对活动式机架结构变形及其应力、应变状况的影响显著，其不仅会改变机架最大应力与应变的位置，还会显著增大应力与应变的幅值；因此，针对连续压机机架进行热力耦合分析具有重要实用价值，可为连续压机机架结构的设计与优化提供理论指导。

关键词： 连续压机； 活动式机架； 受载变形； 热力耦合分析； 应力应变

TS64 文献标识码：A 文章编号：中图分类号：1001-5299 （2020） 04-0014-06 DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202004003

Study on the Deformation and Thermal Mechanical Coupling Characteristics of the Movable

Frame of the Continuous Press

CHEN Guang-wei1 LI Yan-na1 HUA Jun1 CHEN Xiang-yu1 LIN Song-feng2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering in Northeast Forestry University, Harbin 150040, China;

2. College of Life Science in Heilongjiang University, Harbin 150080, China)

Abstract: In order to study the influence of the deformation of the continuous press frame and the thermal mechanical coupling effect on its performance, the load-bearing condition of the high-pressure section frame was determined according to the hot pressing process curves of wood-based panels production. A movable frame was designed based on the CPS type press frame, and the load-bearing deformation of the main components in the movable frame was analyzed and solved according to the material mechanics theory, and main structural dimensions of columns, upper and lower beams were determined. Through using the software modeling analysis method, the structure model of the movable frame was established, the temperature field and thermal stress distribution of the frame were acquired, and the stress and strain distribution of the frame structure under the condition of thermal coupling effect and static load were analyzed. The result indicated that the thermal coupling effect has a significant effect on the deformation, stress and strain of the movable frame structure, which will not only change the position of the maximum stress and strain of the frame, but also significantly increase the amplitude of stress and strain. Hence, the thermal coupling analysis for the continuous press frame has a vital practical value, it can provide theoretical guidance for the design and optimization of the continuous press frame structure.

Key words: Continuous press；Movable frame；Load-bearing deformation；Thermal mechanical coupling analysis；Stress and strain

*基金项目：国家林业局林业科技推广项目(2016－34)陈光伟，男，副教授，研究方向为人造板加工装备设计及理论E-mail:chengw730245@sina.com花 军（通讯作者），男，教授，E-mail:huajun81@163.com 收稿日期：2019-12-28

第4期陈光伟，等：连续压机活动式机架变形与热力耦合特性研究

15

1 连续压机高压段活动式机架结构分析

对于连续平压式热压机（以下简称连续压机），机架是其重要的构成部分之一。由于连续压机在长度方向需要拟合人造板生产的压力曲线，因而处于不同区段的机架其承载不同[1]。热压过程中不同区段板坯状态和内部蒸汽压力各不相同，对热压过程中温度和热量有着不同的要求[2]。热压压力及温度对人造板生产过程的影响相互制约、又相互依存，因此在生产过程的工艺调整时需要进行统一分析。但是在连续压机的高压段，该段内机架不仅所受的载荷最大，而且所处的环境温度也最高[3-4]。因此，

综合考虑热力耦合效应对高压段机架所造成的影响，对连续压机的结构设计及生产中的合理使用都有实际意义。

本文分析热力耦合效应对连续压机高压段机架产生的影响，所针对的是一种可活动式机架，在CPS型压机机架基础上进行机架结构设计。如图1所示，设计的活动式机架主体结构由上、下横梁2、11与左、右两侧的立柱5构成，立柱与上下横梁间通过销柱12铰接。立柱上端安装主油缸1，主油缸下端与上横梁连接，上热压板4通过上隔热板3安装于上横梁的下边缘；下横梁的上边缘与支撑座9相连，支撑座中部安装5个差动油缸10，支撑座两侧与下隔热板8相连，差动油缸与下隔热板之上安装下热压板7。压机工作时，通过主油缸带动上横梁运动，调节上、下热压板之间的距离，通过差动油缸输出不同的支撑力使热压板弯曲变形，从而使板坯由中间向两侧排气；同时要求横梁具有较高的刚度，在对板坯6热压时变形量要小，以此保证上热压板的平直。

1.主油缸 2.上横梁 3.上隔热板 4.上热压板 5.立柱 6.板坯 7.下热压板

8.下隔热板 9.支撑座 10.差动油缸 11.下横梁 12.销柱

Fig.1 图Structure of movable frame

1 活动式机架结构图

本文所设计的活动式机架采用多块框板组合而成，比一般的框式机架结构具有更好的横向刚度，同时

解决了压机侧面空间的敞开问题，能提高生产精度及使用寿命，同时为维护、保养和修理工作带来方便。一般连续压机机架设计过程中，机架结构参数主要依靠经验确定[5]，

连续压机机架结构尺寸较大，结构参数选取合理与否决定制造成本的高低，合理选取结构参数可节省材料消耗，降低生产成本。

2 连续压机高压段活动式机架受力变形分析2.1 活动式机架主要结构参数

根据人造板生产热压工艺可知，连续压机入口段因板坯压制产生的变形量大、反弹力大，因而所需压力最高，故也称之为高压段，采用连续压机生产纤维板或刨花板时，高压段的压力受原料树种、板坯含水率以及板材的压制密度与厚度等多种因素影响，通常情况下其最大面压不超过5 MPa[6]；因此，在该活动式机架结构设计中取设计面压为5 MPa。

人造板生产中，板坯进入连续压机入口段（即高压段）后需要高温加热，以使热量快速向板坯内部传递，促使胶液流动与固化；但热压板的实际加热温度受板坯含水率、生产板材的厚度及胶种等影响[7]。从现实生产情况看，目前采用连续压机生产人造板时多采取高温加热板坯的方式，高压段用于加热热压板的导热油温度最高可达240 ℃左右，热压板、钢带的加热温度可达220~230 ℃[8]；由此，在后续热效应分析中取热源温度为230 ℃。

该活动式机架设计加工幅宽为9英尺（2 750 mm）的人造板，因热压板边缘还需安装热油管道、管道支架等附件，需对热压板安装面尺寸进行扩大[9]，因此取机架上、下横梁热压板安装面宽度C为3 200 mm。考虑机架横梁两侧的加工圆角尺寸及立柱的安装尺寸，取横梁与立柱铰接点水平距离L为4 100 mm。另外，连续压机不同区段机架间距各不相同，因连续压机高压段所承受的载荷较大，对该区段机架具有较大的承载能力和刚度等要求，因此机架间距不宜过大[10]，取机架间距为1 050 mm。

2.2 活动式机架的变形量计算

2.2.1 机架受力状况

若不考虑机架中可移动部分的重力，根据前述活动式机架的设计面压、热压板幅宽及机架间距等参数，计算机架工作中所需承受的总压力F（均布载荷）为：F=5.0×106×3.2×1.05=1.68×107 N。

因该机架的上下横梁各由两块框板组合而成（见

16

林产工业第57卷

图1中机架的侧视图），故上横梁单一框板所受的最大压力Fmax为8.4×106N；

下横梁共布置5个差动油缸和2个固定支撑，可视为受7个集中载荷作用，载荷大小为Fmax的1/7，为1.2×106N。根据文献[11]对压力机框架受力分析方法，取上下横梁与左右立柱的四个铰接点为框架节点，下横梁两端与立柱上端为固定端，并结合机架的结构尺寸，将机架各部分结构简化为梁形式，以线型梁架结构绘制机架的受力与变形简图如图2所示。

图Fig.2 2 活动式机架的受力与变形简图The stress and deformation of movable frame(dotted

（虚线表示横梁的变形）

line represents the deformation of the beam)

由图2可见，因该活动式机架具有4个活动铰接点，其受力变形状况与由整块钢板加工而成的框片式机架有很大的不同；活动式机架仅上、下横梁因受载荷作用会发生弯曲变形，但左右立柱仅受拉力作用，不存在弯矩，因此不会发生向内侧弯曲。2.2.2 机架的变形量计算

1）立柱结构尺寸的确定。如前所述，因活动式机架的立柱仅受拉力作用，故其应力σ可用材料力学中拉杆受力公式直接计算[12]，

为：（1）式中， σ = FFAH≤σa

H为横梁所受拉力，因每段机架包含4个横

梁，故FH=Fmax/2；A为材料截面面积，A= B×d（B为截面宽度,mm；d为截面厚度，设计时取80 mm）；σa为材料的许用应力,MPa。

若机架材料选用Q235b钢板，其许用应力σa为235 MPa，代入式（1）计算宽度B为：

即立柱最小截面宽度不应低于223 mm。设计该 B≥ d F. H

σa

=223 mm活动式机架的立柱结构时，考虑到立柱顶端需安装主油缸等部件，取最小截面宽度B为380 mm，约为限定值

的1.7倍，故可以满足机架的使用要求。

2）上横梁的变形量计算。由图2可见，机架上横梁两端为活动铰接，构成对称简支梁，梁中部受均布载荷Fmax/C作用，位置尺寸包括：L=4 100 mm、C=3 200 mm。根据材料力学知识，上横梁的最大挠度发生在中点处[13]，最大位移量δC为：

δC =384Fmax EIL38 - 4( )CL2+( )CL3 （2）式中，E为弹性模量,Pa；I为上横梁截面的二次矩，m4。将机架结构尺寸参数带入式（2），得上横梁最大变形：

δC = ×109.10

EI6m

3）下横梁的变形量计算。由机架受力状况分析，支撑座受下横梁支撑，与下横梁紧密接触，在横梁受力分析时将支撑座视为简支梁，受下横梁支点反力Fa作用，差动油缸压力转化为均布载荷Fmax /C作用，下横梁受力相应可视为在C范围内受均布载荷Fmax /C和在C距离上分别作用一个Fb /2的集中载荷，且下横梁最大挠

度δD发生在中点处，下横梁受力变形简图如图3所示。

Fig.3 The stress and deformation of beneath beam

图3 下横梁受力与变形图

下横梁受力后变形δD为[14]：

δ Fb

(2L3-3LC 2+C 3) +

-FD=

F96EImaxb

384EI(8L3-4LC 2+C 3)

δD =3841EI[C 2(4L - C ) - 4C 2(3L - C )]Fb

+Fmax384EI[8L3-4LC 2+C 3]δ（3）

D =

K1Fb + K2Fmax式中，K1 =3841

EI[C 2(4L - C ) - 4C 2(3L - C )]， K2 =

3841EI(8L3 - 4LC 2+C 3)。支撑座受力后变形δd为：

δ5C 3Fd =384EIbδb（4）

d = K3Fb

式中，Ib为支撑座截面的二次矩，支撑座高度取下横梁高度的1/8，Ib=I/512，m4；K3=

2 560C 3

384EI 。将式（3）（、4）带入变形协调条件δD /L=δd/C可知[15]：

第4期陈光伟，等：连续压机活动式机架变形与热力耦合特性研究

17

F=Kb 2C

(K)F3L - K1C max

（5）

将Fmax及下横梁位置尺寸带入式（5）中得Fb=3.246×106N，带入式（3）求解δD为：

δD =

9.085 4）活动式机架横梁总变形量计算及横梁高度

EI×106m尺寸确定。由计算所得的活动式机架上、下横梁变形量δC与δD，

可知机架总变形δ为：δ = δC + δD =

1.819

EI×107m（6）

依据材料力学截面图形几何性质，矩形截面的二次矩 I 表达式为[16]：

I =121dh3

（7） 式中：d为矩形截面的厚度，m；h为矩形截面的高度，m。

根据文献[14]关于液压机械横梁几何精度的相关内容，设计中上、下横梁的总弯曲变形允许值为0.24/1 000 mm，结合本文中机架横梁长度L=4 100 mm，上、下横梁最大总变形δ=0.984 mm。结合式（6）与（7），有：

δ =

2.183

Edh3

×108 ≤ 0.984×10-3m（8）

横梁材料弹性模量E为2.05×1011Pa，横梁厚度d取80 mm，将以上数值代入式（8），计算得出上下横梁最小高度h应大于2 383 mm。对于连续压机这类压力机械而言，因其在工作中所受载荷为长期持续性加载，除横梁变形外，油缸、热压板等部件也会产生微小变形[17]

。

为此，将横梁最小高度尺寸h扩大圆整为2 500 mm；另据前述计算可知，上、下横梁在载荷作用下产生的变形量基本相等，因此设置上、下横梁最小高度均为1 250 mm。3 连续压机高压段活动式机架热力耦合分析3.1 活动式机架热力耦合模型建立

根据图4中活动式机架各零部件尺寸，利用SolidWorks软件进行三维建模，将模型导入Hypermesh软件，建立机架的热力耦合分析模型。采用映射网格划分技术对该模型进行高精度网格划分，热分析采用solid70三维实体热单元，结构分析采用solid185三维8节点固体结构单元，机架各部分结合面处用公共节点连接；对机架共划分出213 800个单元，298 337个节点。

定义机架材料属性：活动式机架主体由Q235b碳素结构钢板焊接而成，主油缸缸体及柱塞分别由HT300及45钢制成，隔热板与销柱使用的材料分别为YC200（非金属复合材料）与35钢。各材料具体性能

参数如表1所示。

Tab.1 Material properties of each part of movable frame

表1 活动式机架各部分材料属性

部件名称材料导热率/

(W. m-1.℃-1)热膨胀系数弹性模量/Pa泊松比

上下横梁Q235b51.6411.14×10-62.05×10110.30立柱Q235b51.6411.14×10-62.05×10110.30主油缸缸体HT300

57.8110.50×10-61.25×10110.25油缸柱塞45 50.2411.59×10-62.12×10110.31隔热板YC2004.1920.10×10-68.8×1090.38销柱

35

50.81

11.59×10-6

2.12×1011

0.31

定义载荷及边界条件：活动式机架热量传递形式以传导换热为主，对流换热及辐射换热次之。机架所处环境温度设定为35 ℃，设置为环境热载边界条件；热压机工作时机架隔热板与热压板接触，热压板温度（热源）为230 ℃，因此隔热板表面温度也设定为230 ℃，并作为外热载边界条件；机架各部件结合面处通过公共节点定义热传导，根据文献[18]提出的物体对流和辐射组合表面换热系数计算方法，确定机架

表面换热系数为h=10 W/m2.℃；下横梁底面设置为固定位移约束，根据活动式机架横向压力分布，设置上隔热板表面所受均布载荷为2 625 kN/m（即Fmax /C的值），下隔热板表面及支撑座共有7个集中载荷作用，取值为1 200 kN。

3.2 活动式机架热力耦合效应分析3.2.1 机架温度场与热应力分析

采用ANSYS软件分析活动式机架在热载荷作用下的温度场分布及产生的热应力，求解得出其温度场分布与热应力分布，分别如图4a和图4b所示。

Fig.4 Temperature field analysis of movable frame

图4 活动式机架温度场分析结果

根据温度场及热应力分布云图可以看出，因连续压机工作时隔热板与热压板长期接触，机架中温度较高的区域主要集中于上、下隔热板处。温度分布特点

18

林产工业第57卷

是：隔热板与热压板的接触面（图4a中黑色区域）温度最高为230 ℃，之后热量向上下横梁扩散，但扩散区域很小、温度降低很快，至热量扩散的边缘（图4a中浅灰色区域）温度已降至50 ℃左右，而上下横梁主体温度大部分保持在环境温度35 ℃左右（图4a中灰色区域）。机架中上横梁与下横梁支撑座温度梯度最大，因而产生的热应力也最大；热应力最大区域为上横梁中部及下横梁与支撑座结合处（图4b中黑色区域），最大值约为34.2 MPa。

3.2.2 机架热力耦合综合效应分析

利用ANSYS软件，分析热力耦合综合效应下活动式机架的应力与应变分布情况，结果见图5；其中，图5a为热力耦合效应下应力分布图，图5b为应变分布图。

Fig.5 图Thermal mechanical coupling analysis of

5 活动式机架热力耦合分析结果

movable frame

由图5可见，机架在热力耦合效应下最大等效应力约为173 MPa（图5a中黑色区域），最大应变约为1.585%（图5b中黑色区域），两者均出现在上横梁顶端中部。该现象产生的原因：一是机架为对称式结构，所受载荷也对称分布，因此应力、应变集中点必然出现在机架中间部位。二是机架上横梁为静定结构，下横梁为超静定结构，存在附加力偶，具有减小结构变形的作用，因此在载荷作用下上横梁变形以及应力与应变必然大于下横梁。三是若以主油缸与上横梁连接处作为固定点，由上横梁所受的均布载荷形成的力矩会使其发生凸起变形，因而在上横梁顶端产生的应力、应变必然最大。此外，由图4b所示的热应力分布图可见，上横梁中存在大面积的高应力区，会使得上横梁发生水平延展[19]，这又会进一步加大其顶端的变形与应力、应变。

对比分析静载作用下活动式机架的应力与应变情况。为此，依然采用ANSYS软件分析活动式机架仅在静载条件（即不考虑热效应）下的应力与应变分布，结果如图6所示。

图6a所示为仅在静载作用下活动式机架的应力分布，其最大等效应力为151 MPa；图6b所示为机架的应变分布，最大应变为1.265%；但最大等效应力与应变的位置与图5相比出现了变化，是发生在主油缸与上横梁相连接的固定点内侧。产生这一现象的原因是，当仅考虑静力作用时，该处所受的弯矩最大，因而产生的应力与应变必然较大。图6中，虽然在上横梁上部中间位置也存在较大的应力（133 MPa）与应变，但与热力耦合综合效应分析结果对比，还是存在较大的差异。

Fig.6 图Static load analysis of movable frame

6 活动式机架静力学分析结果

以上分析结果表明：对于该活动式机架而言，热力耦合效应对机架结构的变形及其应力、应变状况的影响比较显著。其一方面造成了机架最大应力、应变位置的变化，另一方面，就两者的最大应力、应变值相比较，增幅分别为14.57%和25.30%。此外，就热力耦合综合效应下机架上横梁的最大应力值（173 MPa）来说，其已经非常接近Q235b材料使用时所要求的极限180 MPa[20]，

这说明在机架结构设计中，若忽略热效应的影响，可能会使机架强度不够，影响生产精度，甚至发生疲劳破坏。4 结论

介绍了应用于连续平压式热压机的活动式机架各部组成及其结构，通过对机架主要构件的受载变形求解，确定了机架立柱与上、下横梁合理的结构尺寸，在满足使用要求基础上，可节省制造材料，节约生产成本。

以连续压机高压段的热压工艺参数为基础，建立了活动式机架的热力耦合效应分析模型，对活动式机架温度场进行分析，得出机架的热应力分布状况。通过求解热力耦合效应与静载作用下活动式机架的应力

（下转第46页）

（1.126%）46

林产工业第57卷

于地板贴面、家具表面装饰、工艺品、工业制品制造等领域，拓展竹制品应用领域，提升产品装饰效果。

2）目前竹质异色重组装饰材工业化生产过程的连续化程度不高。通过竹束连续化编织，实现竹质异色重组装饰材板坯的连续化铺装，提高铺装效率和均匀性是后续的研究重点。同时，加强竹材染色废水处理研究，实现竹束染色处理的清洁生产。

3）竹材的漂白染色处理较木材更难，处理效率不高，造成材料制造成本较高。为降低产品生产制造成本，可考虑采用竹木复合方式，将竹材与人工林染色木材重组，开发竹木复合异色重组装饰材。参考文献

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（责任编辑 张国萍）

（上接第18页）

与应变分布，对比分析机架的最大应力、应变的数值与位置变化情况。结果表明：热力耦合效应会对机架的综合性能产生较大影响，在机架结构设计中不应忽略。

热力耦合分析表明：活动式机架上存在明显的温度梯度，热量由隔热板与热压板的接触面向上下横梁扩散，该试验条件下，热力耦合效应产生的最大等效应力约为173 MPa，最大应变约为1.585%，最大热力耦合应力应变均出现在上横梁顶端中部，为活动式机架结构性能的薄弱环节，在后续研究应重点关注。参考文献

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（责任编辑 张国萍）