劉 洋，嚴(yán)開勇，魯新義，李 華，胡念慈，聞 臻

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢，430080)

升降臺(tái)油缸安裝板結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

劉 洋，嚴(yán)開勇，魯新義，李 華，胡念慈，聞 臻

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢，430080)

針對(duì)液壓升降臺(tái)在使用中出現(xiàn)升降油缸安裝板形變大、易開裂的問題，從升降臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理、升降油缸安裝板強(qiáng)度及形變量等方面對(duì)升降臺(tái)安裝板進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，升降油缸安裝板存在剛度不足和固定方式不佳等問題。為了解決這些問題，提出了在安裝板上加裝四周形和井字形筋板兩種不同的改進(jìn)方案，并利用有限元分析軟件對(duì)不同改進(jìn)方案下安裝板的形變量進(jìn)行了數(shù)值模擬，最終優(yōu)選了井字形筋板的改進(jìn)方案，有效解決了安裝板形變大的問題，消除了升降臺(tái)的安全隱患。

升降臺(tái)；安裝板；結(jié)構(gòu)形變；有限元分析

升降臺(tái)是現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)不可缺少的基本設(shè)備[1]，它的穩(wěn)定性良好，具有寬大的作業(yè)平臺(tái)和較高的承載能力，升降平穩(wěn)，安裝維護(hù)簡單方便[2]。對(duì)于鋼鐵行業(yè)來說，升降臺(tái)也是熱軋、冷軋、硅鋼等生產(chǎn)線上一個(gè)重要的設(shè)備，其主要作用是負(fù)責(zé)生產(chǎn)線終端產(chǎn)品的出庫。

某鋼廠冷軋生產(chǎn)線的尾端設(shè)計(jì)有一個(gè)承載能力為35 t的升降臺(tái)，其主要作用是對(duì)冷軋鋼卷進(jìn)行收集和傳送。但在升降臺(tái)使用初期，升降油缸安裝板就出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的彎曲變形，而且在使用半年之后，油缸安裝板出現(xiàn)多處裂紋，升降油缸的連接螺栓也頻繁松動(dòng)和斷裂，給升降臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的安全隱患，因此對(duì)升降臺(tái)支撐板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與改進(jìn)十分必要。

1 升降臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理

升降臺(tái)的結(jié)構(gòu)主要包括支撐板、導(dǎo)向桿、升降油缸和油缸安裝板等部分。升降油缸底座利用連接螺栓固定在油缸安裝板上，升降油缸活塞桿的頂端設(shè)計(jì)為半球形，并直接與支撐板相連。當(dāng)升降油缸活塞桿上升時(shí)，活塞桿伸出，并推動(dòng)支撐板向上抬起，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)升降臺(tái)的上升運(yùn)動(dòng)；反之，當(dāng)升降油缸活塞桿收縮時(shí)，支撐板在自重的作用下隨活塞桿一起向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)升降臺(tái)的下降回位運(yùn)動(dòng)。為了保證支撐板兩端升降的平穩(wěn)性和一致性，在升降油缸兩側(cè)設(shè)計(jì)有兩個(gè)導(dǎo)向桿。每個(gè)導(dǎo)向桿均通過定位銷固定在支撐板上，在升降過程中，支撐板兩側(cè)的導(dǎo)向桿在導(dǎo)向桿外筒內(nèi)進(jìn)行同步升降，有效保證了升降臺(tái)升降的平穩(wěn)性。

為了方便升降油缸安裝和實(shí)現(xiàn)升降油缸的升降功能，在升降油缸的安裝板上設(shè)計(jì)有一個(gè)安裝孔和一個(gè)升降孔(圖1)。安裝孔位于安裝板的正中，作用是讓系統(tǒng)油管與油缸中心底部的進(jìn)油管相連，為油缸提供升降壓力，而升降孔的作用是為了滿足安裝在升降油缸一側(cè)的回油管隨油缸一起升降時(shí)油管長度的補(bǔ)償需要。

1-定位孔；2-S缺圓；3-尋向桿；4-安裝孔；5-升降孔

2 升降油缸安裝板強(qiáng)度及變形量分析

2.1 安裝板強(qiáng)度校驗(yàn)

2.1.1 伺服缸載荷計(jì)算 油缸活塞在上升過程中，其推力作用推動(dòng)支撐板上升。由于力的相互作用，活塞的推力同樣也作用在安裝板上。由于升降缸活塞的直徑為180 mm，工作壓力為14 MPa，活塞的半徑、面積和推力分別為[3]：活塞半徑

R=φ/2=0.18÷2=0.09 m

(1)

活塞面積

S=πR2=π×0.09×0.09=0.0254 m2

(2)

活塞推力

F=P×S=14×106×0.0254=355.6 kN

(3)

式中：Φ為活塞的直徑，m；P為油缸工作壓力，MPa。由于油缸活塞推力F為355.6kN，所以油缸對(duì)底座的壓力F壓也為355.6kN。

2.1.2 安裝板受力面積計(jì)算 油缸底座與底板支撐板之間的接觸面積即為油缸對(duì)底座的受力面積。從圖1中可以看出，受力面積為陰影部分面積，其面積等于圓環(huán)面積減去上下2個(gè)缺圓部分面積，然后再減去4個(gè)小半圓形孔，最后再減去大部分升降孔面積所得到的面積?？紤]到圓環(huán)內(nèi)小孔的面積與升降孔在圓環(huán)外的面積相當(dāng)，所以近似將受力面積的計(jì)算方式簡化，即

S受力=S圓環(huán)-2S缺圓-S升降孔

由于大圓半徑為195mm，缺圓部分的弦長l為200mm，根據(jù)余弦公式可以計(jì)算出α為30.85°；加上安裝孔的半徑為75mm，升降孔的直徑為65mm，則

(4)

=π×752×10-6=0.01767 m2

S環(huán)=S大圓-S安裝孔=0.1013 m2

=0.016741 m2

S缺圓=S扇形-S三角形=0.003733 m2

=0.003318 m2

S受力=S環(huán)-2×S缺圓-S升降孔

=0.09154 m2

式中：R大圓為大圓半徑，m；S大圓為大圓的面積，m2；R安裝孔為安裝孔的半徑，m；S安裝孔為安裝孔的面積，m2；S環(huán)為環(huán)形的面積，m2；S扇形為扇形的面積，m2；S三角形為缺圓所對(duì)三角形的面積，m2；S缺圓為缺圓的面積，m2；R升降孔為升降孔的半徑，m；S升降孔為升降孔的面積，m2；S受力為油缸作用安裝板的面積，m2。

2.1.3 安裝板的單位載荷分析 安裝板的單位載荷

安裝板的實(shí)際應(yīng)力值為3.88MPa，而安裝板的材質(zhì)為Q345A[4]，其許用應(yīng)力為345MPa，由此可見其強(qiáng)度滿足工作要求。

2.2 安裝板形變量模擬分析

由于整個(gè)安裝板只有兩端通過焊接的方式與基座固定，中間區(qū)域均懸空(圖2)。為了模擬安裝板的形變量，按照實(shí)際尺寸建立了三維有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行定義單元屬性、劃分網(wǎng)格、施加約束等(圖3)[5]。

圖 2 安裝板固定約束

圖 3 安裝板位移云圖

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，安裝板最大位移發(fā)生在液壓缸安裝處，其最大位移值為0.1417m，而設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求安裝板的最大允許位移必須不大于0.01m。由此可見，安裝板的最大位移超過了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此其安裝板的剛度不足，其固定方式和本體結(jié)構(gòu)上存在問題，必須加以改進(jìn)。

3 升降油缸安裝板結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了解決安裝板形變大的問題，提出了兩種不同的解決方案。第一種就是沿安裝板底部四周焊接寬度和高度均為20mm的筋板；第二種是在安裝板底部焊接寬度和高度均為20mm的井字形筋板。為了比較兩種方案的優(yōu)劣性，對(duì)兩種方案下安裝板的形變進(jìn)行模擬分析。

(a)方案一

(b) 方案二

通過圖4分析可知，采用方案一，其安裝板的最大位移為1.27×10-4m；采用方案二，其安裝板的最大位移為6.72×10-5m，兩種方式均滿足了安裝板形變不大于0.01m的要求。由于方案二的最大位移量更小，因此采用方案二對(duì)安裝板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)果分析

新型井字形安裝板上機(jī)使用以后，對(duì)安裝板的實(shí)際形變進(jìn)行測量，其測量結(jié)果顯示其位移值不足0.01mm，而且安裝板上機(jī)半年時(shí)間里，升降臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)升降油缸連接螺栓松動(dòng)和斷裂的情況，使用效果良好。

[1] 李增雙,李永波,魏 禹,等.液壓升降臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào),2013,23(03):27-29.

[2] 趙 鑫,王惠源.基于SolidWorks的剪式液壓升降臺(tái)絞架強(qiáng)度仿真分析[J].煤礦機(jī)械,2013,34(04):96-97.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007:21-16.

[4] 宋小龍,安繼儒.新編中外金屬材料手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:303.

[5] 劉勇杰,閆 磊.基于ANSYS銅包裝線升降臺(tái)的有限元分析[J].電子世界,2013,13:92-93.

[責(zé)任編校： 張 眾]

Structure Analysis And Improvement of Fixing-board of Hydraulic Cylinder Model

LIU Yang，YAN Kaiyong，LU Xinyi，LI Hua，HU Nianci, WEN Zhen

(ResearchandDevelopmentCenterofWuhanIronandSteel(Group)Corp.，Wuhan430080,China)

Lifts mounting plate was analyzed from the aspects such as the structure and working principle of lifts and the strength and shape variables of lift cylinder mounting plate, to solve the problem that the lift cylinder mounting plate had large deformation and was easy to crack when hydraulic lifts was in use. The results show that there are some problems such as insufficient stiffness and poor fixation of lift cylinder mounting plate. Focusing on the problems, two different improvement programs were proposed: installing four weeks shaped and well-shaped ribs on the mounting plate. Finite element analysis software was applied to simulate the deformation of the mounting plate under the different programs, and it shows that the well-shaped rib is a preferred program. Practice has proved that well-shaped ribs program can effectively solve the problem that lift cylinder mounting plate has large deformation, and so the hidden safety risk of lift has been eliminated.

lift platform; fixing-board; structure deformation; finite element analysis

2015-04-20

劉 洋(1984-)，男，湖北枝江人，武鋼研究院工程師，研究方向?yàn)橐苯鹪O(shè)備研究及開發(fā)

1003-4684(2015)04-0096-03

TG334.9

A