房志遠(yuǎn)，羅遠(yuǎn)新，張營杰

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．重慶大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 400030)

0 前言

傾斜缸是鍛造操作機升降機構(gòu)的重要組成部分，其工作可靠性直接影響鍛造操作機的整體性能。對大型鍛造操作機而言，若傾斜缸發(fā)生故障，不僅維修非常麻煩，而且會引發(fā)安全事故;由于傾斜缸零部件幾何尺寸較大，一旦發(fā)生破壞，將會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。傾斜缸缸底法蘭是傾斜缸的關(guān)鍵零件，由于目前關(guān)于大型油缸缸底法蘭的設(shè)計方法少有介紹，設(shè)計時一般只好對已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比。

本文采用巴赫 (Bach) 法［1，2］對傾斜缸缸底法蘭全斷面上的彎曲應(yīng)力以及翼緣處的彎曲應(yīng)力進(jìn)行計算，并通過有限元法分析各種因素對缸底法蘭彎曲應(yīng)力的影響，提出改善缸底法蘭受力情況的幾項措施，為同類型零部件的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 傾斜缸缸底法蘭彎曲應(yīng)力的計算［1，2］

按照傳統(tǒng)設(shè)計方法，根據(jù)傾斜缸缸底法蘭與普通法蘭結(jié)構(gòu)的相似性，一般采用巴赫法進(jìn)行核算。巴赫法是將法蘭圓環(huán)展開拉直，假設(shè)成一個受力的懸臂梁來計算。此種計算方法簡單易行，為設(shè)計者廣泛采用。

傾斜缸缸底法蘭的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。通常選取兩個斷面對其彎曲應(yīng)力進(jìn)行校核:一是校核全斷面A－A上的平均彎曲應(yīng)力σw1，二是校核法蘭翼緣B－B處的彎曲應(yīng)力σw2，三是校核法蘭底部開孔處的應(yīng)力σw3。

圖中:D為法蘭外徑，D=700 mm;d為中心開孔直徑，d=18 mm;d1為法蘭安裝螺釘?shù)姆植紙A直徑，d1=590 mm;d2為傾斜缸內(nèi)徑，d2=450 mm;d3為缸底緩沖腔直徑，d3=200 mm;d4為螺孔直徑，d4=62 mm;n為安裝螺釘?shù)臄?shù)量，n=20。h為法蘭翼緣厚度，h=180 mm;h1為緩沖腔底部厚度，h1=125 mm;H為法蘭總厚度，H=250 mm;p為傾斜缸油液工作壓力，p=25 MPa;R為翼緣處圓角，R=2 mm。

圖1 傾斜缸缸底法蘭的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Strcture diagram of flange at the bottom of tilting cvlinder

1.1 法蘭全斷面上的平均彎曲應(yīng)力計算

根據(jù)巴赫法，法蘭全斷面上的平均彎曲應(yīng)力為σw1:

1.2 法蘭翼緣處的彎曲應(yīng)力計算

根據(jù)巴赫法，法蘭翼緣處的平均彎曲應(yīng)力為σw2:

1.3 底部開孔處的應(yīng)力計算

底部開孔處的應(yīng)力σw3為:

式中，φ為開孔系數(shù)，φ= (d3－d) /d3

2 有限元分析

為了全面分析各因素對傾斜缸缸底法蘭彎曲應(yīng)力的影響，我們采用有限元法分別對以下四種情況進(jìn)行核算。

2.1 對原始模型的核算

對傾斜缸缸底法蘭采用SolidWorks建模，使用Abaqus對其進(jìn)行有限元分析。由于缸底法蘭結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，取模型的1/4進(jìn)行有限元計算。缸底材料為42CrMo，其彈性模量E=206 GPa，泊松比 μ =0.3［3］。在面 XOZ、YOZ 上施加對稱約束，在法蘭底面加兩個彈簧來約束Z方向的位移，如圖2所示。在法蘭內(nèi)表面及密封圈下部施加液體壓力p=25 MPa，在每個螺釘頭部區(qū)域內(nèi)施加的力F=198803.9 N。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體單元為10 mm，并對翼緣圓角及底部開孔處網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，單元大小為5 mm，共劃分單元 233297個，節(jié)點 249442個(如圖3所示)。取Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力進(jìn)行比較 (其結(jié)果如圖4所示)。

圖2 有限元計算邊界條件Fig.2 Boundary conditions calculated with EEM

2.2 翼緣處圓角R值的影響

將翼緣處圓角R=2 mm增大到R=5 mm，載荷及約束施加與2.1相同 (其結(jié)果如圖5所示)。根據(jù)有限元計算結(jié)果可以看出，隨著法蘭翼緣處圓角R的不斷增大，其應(yīng)力水平有著顯著的下降。

2.3 螺釘施加預(yù)緊力的影響

取螺釘?shù)念A(yù)緊系數(shù)η=1.3，則對每個螺釘頭部區(qū)域施加載荷258445.1 N，法蘭與缸筒接觸表面施加載荷298205.9 N，其它條件不變(其結(jié)果如圖6所示)。螺釘施加預(yù)緊力后，法蘭翼緣圓角處的應(yīng)力較原始模型略有改善。

2.4 在底部開孔處增加一個卸載槽

在底部開孔處增加一個R=5 mm的卸載槽(其結(jié)構(gòu)如圖7所示)，其余條件不變 (其結(jié)果如圖8所示)。根據(jù)有限元計算結(jié)果，在底部開孔處增設(shè)卸載槽，可以顯著改善其受力狀況。

由于傾斜缸缸底開有小孔，產(chǎn)生應(yīng)力集中，在此只對法蘭翼緣圓角處的彎曲應(yīng)力σw2與底部開孔處的應(yīng)力σW3進(jìn)行比較?，F(xiàn)將巴赫法計算結(jié)果及四種有限元計算結(jié)果的Mises應(yīng)力見表1，單位(MPa):

表1 巴赫與有限元計算結(jié)果對比Table 1 Contrast of Bach and finite element calculated results

3 結(jié)論

(1)按照公式 (2)、(3)的計算結(jié)果，不能反映傾斜缸缸底法蘭彎曲應(yīng)力的實際分布，計算結(jié)果遠(yuǎn)低于實際數(shù)值。

(2)實際設(shè)計中，法蘭翼緣的過渡圓角R在結(jié)構(gòu)允許的情況下應(yīng)盡量增大;法蘭與缸筒連接螺釘保持適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，對減小法蘭翼緣處的彎曲應(yīng)力有利;在中心孔周邊增加卸載槽，可顯著減小中心孔處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)本文采用有限元法對傾斜缸缸底法蘭進(jìn)行分析，比較全面的考慮了各種因素對其彎曲應(yīng)力的影響，可為同類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

［1］ 陳嘉襄，楊宗煉．關(guān)于閥蓋彎曲應(yīng)力的校核問題［J］．重型機械，1983(12):44－48．

［2］ 黃鐘，程源．機械強度與剛度計算［M］．呼和浩特:內(nèi)蒙古人民出版社，1981．

［3］ 成大先．機械設(shè)計手冊第1卷，3版 ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1997．