文/劉社英，秦紅兵·安陽鍛壓機械工業(yè)有限公司

Y13-4000數(shù)控鍛造液壓機橫梁有限元分析

文/劉社英，秦紅兵·安陽鍛壓機械工業(yè)有限公司

數(shù)控鍛造液壓機是一種智能化的中型鍛造設(shè)備，該種液壓機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作載荷和預(yù)應(yīng)力大。因此，設(shè)計中采用三維有限元分析方法。該方法針對鍛造液壓機的橫梁結(jié)構(gòu)進行有限元計算和力學(xué)分析，還可以進行在承受載荷作用下的變形及工作應(yīng)力分析。有限元軟件SolidWorks分析了橫梁在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的受力和變形情況。結(jié)果表明，有限元分析過程比傳統(tǒng)的計算方法更簡單、方便，是工程上解決應(yīng)力、應(yīng)變問題的有效途徑。

Y13-4000數(shù)控鍛造液壓機是一種利用液體壓力來傳遞能量的全液壓控制的鍛造設(shè)備，是安陽鍛壓機械工業(yè)有限公司于2008年開始著手開發(fā)的新產(chǎn)品。安陽鍛壓機械工業(yè)有限公司通過實際考察，對現(xiàn)有的國內(nèi)外數(shù)控鍛造液壓機進行了調(diào)研，了解了其技術(shù)狀況，并結(jié)合實際使用需求開發(fā)了該產(chǎn)品。

安陽鍛壓機械工業(yè)有限公司生產(chǎn)的Y13-4000數(shù)控鍛造液壓機于2009年12月通過了河南省科學(xué)技術(shù)廳的科技成果鑒定，并在2010年了獲得中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎、安陽市科學(xué)技術(shù)進步二等獎，并獲得國家實用新型專利三項。該型液壓機輸出噸位大、鍛造能力強、鍛造頻次高、操作智能化，性能穩(wěn)定，使用壽命長，維護成本低，其結(jié)構(gòu)形式為三梁四柱式，現(xiàn)以活動橫梁為例，介紹傳統(tǒng)計算與SolidWorks有限元分析方法的不同。

活動橫梁強度計算

活動橫梁在一般工作情況下，不出現(xiàn)彎曲變形。但是，在空行程下極限位置時，橫梁支撐在限程套上，上砧懸空，活動橫梁承受名義壓力的作用，梁的下平面承受拉應(yīng)力，上平面承受壓應(yīng)力，此時橫梁所受彎矩最大，工況最差。

應(yīng)力計算公式：

σ=Mmax/Wz＜ [σu]

式中 Mmax——最大彎矩，N·m；

Wz——抗彎截面系數(shù)；

[σu]——液壓機橫梁的許用應(yīng)力120MPa。

圖1 簡支梁結(jié)構(gòu)

Mmax=0.25×P×B－PC×BC

式中 P——主缸壓力，N；

B——立柱中心距，m；

PC——每一側(cè)缸壓力，N；

BC——主缸與側(cè)缸之間距離，m。

Mmax=0.25×40×106×4.4-12.5×106×1.51

=25125000N·m

活動橫梁的承壓為三個油缸球面墊和活動梁承受，受力結(jié)構(gòu)簡化為簡支梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

橫梁的危險截面為中間截面，如圖2所示。

圖2 中間截面

橫梁的抗彎截面系數(shù)計算可將其轉(zhuǎn)化為工字梁計算，簡化如圖3所示。

圖3 工字梁

工字梁的抗彎截面系數(shù)計算公式：

Wz=（B×H3－b×h3）/（6×H）

=（2.36×1.23－1.9×1.0353）÷（6×1.2）

=0.2739

實際應(yīng)力σ=Mmax/Wz

=25125000÷0.2739

=91.73MPa＜[σu]=120MPa

SolidWorks有限元分析方法

運用SolidWorks中零件有限元分析功能，旋轉(zhuǎn)求解分析類型為靜態(tài)分析，運用求解器控制，施加載荷和約束條件，約束定在有限元模型上的節(jié)點位移，即活動橫梁與立柱的四個配合面，載荷面為活動橫梁和三個球面墊的接觸面，主缸載荷大小為15MN，兩側(cè)缸載荷大小為12.5MN。分析后，得其靜態(tài)應(yīng)力如圖4所示。

其應(yīng)力大小顯示為95.99MPa，略大于計算得的91.73MPa，可見兩種算法得出的結(jié)論是一致的。這種狀態(tài)是在工況最惡劣的情況下得出的，在一般情況下鍛造時，所受的應(yīng)力要遠遠低于此最大值，活動橫梁是滿足要求的。

結(jié)束語

經(jīng)以上兩種方法可以看出，SolidWorks具有很強的靜態(tài)、模態(tài)和瞬態(tài)分析，能準(zhǔn)確地完成各種分析和計算。運用SolidWorks有限元分析鍛造液壓機橫梁的應(yīng)力、應(yīng)變問題，比傳統(tǒng)的計算方法要快捷、簡單的多，而且更準(zhǔn)確，能很好地完成大量的計算任務(wù)，是工程上解決應(yīng)力、應(yīng)變問題的有效途徑。

劉社英，工程師，主要從事液壓機產(chǎn)品設(shè)計。

圖4 靜態(tài)應(yīng)力