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锻压操作机冲击动力学分析
作者：刘德时 李春会 黄英
来源：《科学家》2017年第17期
摘 要 针对夹持棒状锻件的锻压操作机的冲击动力学行为进行分析。采用LS-DYNA建立“锻压操作机-棒状锻件-锻造液压机”整体系统的三维有限元模型，对落锤碰撞冲击锻件的工况进行显式动力学模拟。重点分析了冲击位置对操作机夹钳所受的最大冲击力的影响，为操作机结构设计提供理论依据。
關键词 锻压操作机；冲击动力学；锻造压力机
中图分类号 TG315 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0206-02
锻压操作机是锻造压力机重要的作业辅助装备，二者相互配合共同完成金属材料的塑性成型作业。操作机通过其夹钳夹持锻件，对其进行翻转、提升、平移等操作，相对于以往天车与锻造操作机相互配合的作业组合方式，可以显著提高成型精度与速度，降低锻造生产过程中的能耗。
在正常的工况下，锻造压力机可以准确地控制其锻锤的运动速度与轨迹。但是实际工况中，会出现液压系统损坏、故障以及人为操作失误或等情况，此时压力机的锻锤很可能失去有效控制，在自重的作用下，锻锤会出现自由落体运动，并与锻件发生碰撞冲击，所产生的巨大的冲击力通过锻件传导到夹钳，可能导致夹钳瞬间断裂破坏。特别是在后期的锻压道次，锻件接近黑色的时候，此时锻件的硬度大，强度高，发生碰撞冲击后操作机夹钳被破坏的危险性大为提高。
操作机的冲击动力学行为在20世纪60年代初就引起了苏联学者米诺诺夫的注意，根据多年的现场观察以及经验总结，米诺诺夫认为操作机的动态响应过程严重滞后于锻锤与锻件的冲击过程，夹钳的最大受力不是发生在锻锤与锻件的接触变形期。发生冲击后，锻锤在变形抗力的作用下离开锻件表面，操作机在自身惯性作用下继续下行，因为锻件的一端是放在锻造压力机的下砧上，因此，锻件对操作机夹钳的最大反作用力是竖直向上的。米诺诺夫将操作机自身建立为一个单自由度振动模型，振动模型的刚度和质量分别是操作机的缓冲刚度和质量，在某个初速度下该单自由度系统进入自由振动过程，因为该振动系统中并没有考虑锻件，所以夹钳受力的方向与大小与均与冲击位置无关。权修华[1]采用米诺诺夫的理论分析了国产两种操作机的冲击受力过程，并采用应变片对现场使用的操作机夹钳的动态应变进行监测，试验结果表明在操作机夹钳所受动态冲击里的时程曲线在趋势上与米诺诺夫的动力学模型有相似之处，但是最大冲击力的数值与其差别很大。顾震隆[2]等对上述观点持有不同看法，认为夹钳所受最大冲击力的方向、大小均与锻锤冲击锻件的位置有直接联系。并建立了操作机夹钳与锻件接触碰撞动力学方程，但并未给出方程的数值解。 龙源期刊网
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冲击地压灾变动力学机理与多场耦合致灾透明解析
冲击地压是煤矿等地下工程中常见的地质灾害，其突发性、不可预测性和巨大破坏性给工程安全带来了严重威胁。近年来，随着地下工程规模的不断扩大和开采深度的增加，冲击地压灾害的发生频率和破坏程度呈上升趋势，因此，深入研究冲击地压灾变动力学机理与多场耦合致灾机制，对于预防和控制冲击压灾害具有重要意义。
一、冲击地压灾变动力学机理
冲击地压灾变动力学机理是指在地应力、岩石力学性质、开采条件等多种因素共同作用下，岩体内部应力场、能量场和破坏场发生演化，最终导致岩体失稳破坏的过程。该过程涉及复杂的物理、化学和力学过程，主要包括应力积聚、能量释放和破坏传播三个阶段。
应力积聚阶段：在地下工程中，由于岩体受到自重应力、构造应力、采动应力等多种应力的作用，会在岩体内部形成应力集中区。当应力集中区的应力超过岩体的强度极限时，岩体就会发生破坏，形成微裂纹和裂隙。这些微裂纹和裂隙的存在为应力的进一步积聚提供了条件，使得应力集中区的范围不断扩大。
能量释放阶段：当岩体内部的应力达到一定程度时，岩体就会发生弹性变形和塑性变形，从而积聚大量的弹性能和- 2 -
塑性能。当这些能量积累到一定程度时，就会以突然释放的形式表现出来，形成冲击波和震动波，对周围岩体造成破坏。
破坏传播阶段：冲击波和震动波在岩体中传播时，会对周围岩体造成扰动和破坏，使得破坏范围不断扩大。同时，破坏产生的碎片和粉尘也会随着冲击波和震动波的传播而扩散，对周围环境造成污染和危害。
二、多场耦合致灾机制
冲击地压灾变过程中，应力场、温度场、渗流场等多场之间相互作用、相互影响，形成了复杂的耦合关系。这些耦合关系的存在使得冲击地压灾变过程更加复杂和难以预测。
应力场与温度场的耦合：在地下工程中，岩体的温度受到地温、开采活动等多种因素的影响。当岩体受到应力作用时，会产生热量并导致温度升高。同时，温度的升高又会影响岩体的力学性质和应力分布，从而进一步影响应力场的演化。这种应力场与温度场的耦合关系使得冲击地压灾变过程更加复杂。
通过路基压实法解读压路机、液压夯实机、冲击压路机等压实机械!
通过路基压实法解读压路机、液压夯实机、冲击压路机等压实机械！
路基压实就是通过压路机等压实设备给被压材料施以作用力，强迫被压材料内部颗粒产生移动，重新排列得更加密实的过程。不同的压路机机型，由于其工作原理的不同，会产生不同的作用力，作用力的性质不同，又会引起被压材料变形的巨大差异。
各种压实机械
到目前为止，常见的基本压实方法可大致归纳为以下五种：静力压实法、搓揉压实法、振动压实法、冲击压实法、冲击夯实法。
一、静碾压实法：利用压路机自身的重力，对被压材料施加垂直压力作用，使被压材料内部产生相应的法向应力和剪切应力，当剪切应力达到材料的抗剪强度时，材料的颗粒之间就会发生相对槽移，重新排列而变得更加密实。由于压路机外形尺寸及动力等限制，静碾压实只能引起被压材料较小的变形，获得较低的压实度。
静碾压实法工作原理示意图
静碾压实法对应的压实机械就是静碾压路机，也叫三轮压路机、光轮压路机，由于振动压路机在不开启振动的情况下可达到同样效果，静碾压实法还存在应用，静碾压路机已趋于淘汰。
静碾压实法对应的压实机械就是静碾压路机，也叫三轮压路机、光轮压路机，由于振动压路机在不开启振动的情况下可达到同样效果，静碾压实法还存在应用，静碾压路机已趋于淘汰。
三轮静压压路机
二、振动压实法：振动压路机可对被压材料施加一系列的激振作用，以激起被压材料颗粒之问的相对运动，在垂直压力的作用下，使它们重新进行排列而变得更为密实。振动作用能大幅度地减少被压材料内部颗粒的摩擦，而对减小内聚力的作用则相对较小。振动能量以压力波的形式传向被压材料深部，同样可激起下部材料颗粒的振动，因而它比同样自重的静作用压路机能达到更好的压实效果和压实深度。
振动压实法工作原理示意图
由于振动压实的机理是在于激起被压材料颗粒的相对运动，而并不是依靠振动束压实被压材料，因而它的振幅通常只有0.3~2mm，而频率则接近被压材料的振频率，这样可以使被压材料的颗粒处于共振的状态下，从而获得最佳的压实效果。总的来说，振动压实不仅作用深度较大，而且能获得较高的压实度。
交通科技与管理195工程技术
当前随着我国公路工程建设项目不断向前发展，公路工
程的建设施工覆盖面越来越广，带动我国各地区经济的快速
向前发展。由于道路工程施工规模相对较大，其中所涉及到
的施工工艺以及相关施工技术要点内容相对较多，同时涉及
到各种不同类型的道路工程施工技术。路基施工是道路工程
建设施工中非常重要的施工环节，直接关系到路面结构的承
载能力以及后续的行车安全性，因此，在路基压实工作过程
中，通过采取冲击式压路机设备所表现出的碾压效果非常明
显，可以有效保证各种不同地质条件路基结构的压实程度，
避免路基面产生不均匀沉降问题，有效提高道路工程的整体
建设，施工质量实现工程建设施工单位的更高经济效益和社
会效益。
1 工程概况
有效结合我国某地区一处公路工程项目施工案例进
行分析和研究，本路段起止桩号为K5+500，终点桩号为
K84+916。该路段工程施工过程中，施工路段的基础土方开
挖施工量相对较大，同时整个工程施工线路穿越耕地、林地
以及草地等各种不同类型的地质地貌条件。由于本次道路工
程项目施工周期相对较短，为了进一步提高道路工程路基施
工强度以及道路施工耐久度，有效控制路基产生不均匀沉降
问题。在本次工程施工当中通过采取冲击式压路机设备，对
道路路基进行全面压实处理，进一步提高路基结构等压实度
和平整性。
2 冲击式压路机施工工艺分析
在使用冲击式压路机设备进行施工作业工作中，需要对
以下几个方面问题加以重视：
第一，需要保证路基的实际填住松程度超过300 m，同
时填充施工材料的含水量大小必须要满足工程的实际施工要
求，然后通过使用振动压路机设备展开分层压实处理，冲
击碾压施工范围外侧区域需要进行适当加宽加宽大小为1 m~
1.5 m，同时冲击碾压转弯区域需要在距离桥台等建筑物30 m
范围之内，然后在此施工基础之上，有效完成坡脚位置的桩
体放样工作。如果因为受限无法进行拓宽，则可以通过使用
振动压路机设备对道路路的边缘位置2 m~3 m范围内进行分
