呂 強(qiáng)，張學(xué)良，陳永會，溫淑花，蘭國生

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

80 MN快鍛液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)有限元分析

呂 強(qiáng)，張學(xué)良，陳永會，溫淑花，蘭國生

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

快鍛液壓機(jī)是一種液體傳遞能量來實(shí)現(xiàn)加工工藝的設(shè)備。工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)用非常普遍。液壓機(jī)工作缸，橫梁和框架是液壓機(jī)的關(guān)鍵部件。它是液壓機(jī)的主要承載結(jié)構(gòu)部件。由于設(shè)計(jì)制造或者使用不當(dāng)，會給生產(chǎn)造成很大損失。在液壓機(jī)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，參考設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對80 MN快鍛液壓機(jī)工作時(shí)的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元靜力分析。結(jié)果表明:其工作時(shí)整體應(yīng)力分布較為均勻，且滿足強(qiáng)度要求。本研究對維護(hù)液壓機(jī)良好使用有著重要意義。

液壓機(jī);有限元;靜態(tài)分析

液壓機(jī)作為一種采用高壓液體傳送工作壓力的基礎(chǔ)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于機(jī)械生產(chǎn)制造行業(yè)。在現(xiàn)代化建設(shè)中，隨著工業(yè)生產(chǎn)要求的不斷提高，大量高技術(shù)含量的現(xiàn)代重型液壓機(jī)不斷涌現(xiàn)。太原重工設(shè)計(jì)制造了國內(nèi)首臺80 MN快速鍛造液壓機(jī)，該液壓機(jī)將結(jié)構(gòu)及控制進(jìn)行了創(chuàng)新，使其使用性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)快鍛液壓機(jī)，極大提升了液壓機(jī)使用效率及產(chǎn)品加工精度。該液壓機(jī)采用組合機(jī)架結(jié)構(gòu)，兩個(gè)空心立柱分別由8根拉桿從立柱空心部分穿過，并做預(yù)緊。使得上橫梁，立柱，下橫梁做為一個(gè)整體連接起來。左右兩側(cè)的預(yù)緊拉桿通過對液壓機(jī)施加預(yù)緊載荷來抵消大部分工作應(yīng)力，從而大大提高液壓機(jī)的承載能力。保證機(jī)身在工作狀態(tài)下立柱和上下橫梁結(jié)合面不產(chǎn)生間隙和錯位，工作缸在滿載的時(shí)候不能出現(xiàn)失效或者過大變形[1]。

本文用ANSYS Workbench對solidworks建立的液壓機(jī)三維實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，分析過程中將裝配體模型中的接觸、摩擦和載荷等邊界條件進(jìn)行了合理處理，從而模擬真實(shí)情況下液壓機(jī)的受力情況[2]。獲得了本體結(jié)構(gòu)在靜力載荷下的應(yīng)力、位移分布狀態(tài)，并對其整體工作性能進(jìn)行了分析和評價(jià)。

1 建立80 MN快鍛液壓機(jī)的有限元模型

1.1 裝配體模型的建立

液壓機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括上橫梁、中橫梁、下橫梁、拉桿、液壓缸、立柱、工作臺等。本文運(yùn)用 Solid Works軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型的建立，在建模過程中考慮模型的真實(shí)性以及有限元分析計(jì)算的工作量，對快鍛液壓機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分合理簡化。建模過程中取消大部分倒角，簡化液壓缸裝配結(jié)構(gòu)，最終建立的液壓機(jī)三維模型如圖1所示。

圖1 液壓機(jī)本體三維模型Fig.1 Three-dimensional model of hydraulic body

1.2 網(wǎng)格劃分和接觸設(shè)置

將液壓機(jī)實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，使用Meshing對其進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，并考慮分析結(jié)果計(jì)算精度及計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力選取合適大小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。最終將其劃分為75 398個(gè)單元、202 325個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 液壓機(jī)本體有限元網(wǎng)格劃分Fig.2 Finite element mesh of hydraulic machine body

液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)中存在大量接觸。在有限元分析中接觸是一種比較復(fù)雜的非線性問題。ANSYS Workbench軟件中提供的接觸定義類型有5類，根據(jù)液壓機(jī)實(shí)際工作情況，對模型的每個(gè)零件和它所接觸的零件之間設(shè)置接觸對。將接觸對中的目標(biāo)面和接觸面設(shè)置為對稱接觸，在分析過程中根據(jù)實(shí)際情況將每對接觸進(jìn)行不同類型的設(shè)置[3-4]?？紤]到計(jì)算量問題，大部分采用一次迭代，即Bonded和No Separation.

1.3 載荷加載

機(jī)身在工作前就受到預(yù)應(yīng)力作用，多根拉桿預(yù)緊是按照一定順序逐根完成的[5]。當(dāng)全部拉桿預(yù)緊完成后，要求所有的拉桿各自的預(yù)緊力達(dá)到7.71 MN[6].由于受到預(yù)緊力，拉桿和柱套會產(chǎn)生變形，這種變形處于鋼材的彈性形變范圍，其變形符合胡克定律，是一種線性關(guān)系。液壓機(jī)工作時(shí)分為鍛造和墩粗兩種模式，鍛造壓力分為三級，分別為30 MN、42 MN、72 MN，最大墩粗力為80 MN，液壓系統(tǒng)將高壓油送入油缸，推動柱塞，同時(shí)反作用于缸體內(nèi)壁。缸體和柱塞分別作用于上橫梁和活動橫梁，高壓油進(jìn)入缸體時(shí)，活動橫梁向下移動，液壓機(jī)開始工作[7-8]。

1.4 邊界條件設(shè)定

80 MN液壓機(jī)工作時(shí)，下橫梁底面與地基相連固結(jié)在一起，所以在有限元分析時(shí)對底面實(shí)行全約束。上下橫梁用拉桿和螺母綁定，故采用綁定接觸[9-10]。

2 液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算與結(jié)果分析

對液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)施加墩粗工況下的載荷和約束，并進(jìn)行分析計(jì)算，獲得的液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分別為圖3、圖4所示。

圖3 本體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力圖Fig.3 body structure of equivalent stress

圖4 本體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)變圖Fig.4 Strain diagram of body structure

2.1 本體強(qiáng)度分析

液壓機(jī)上下橫梁、活動橫梁及立柱的材料為ZG25Mn，其屈服極限為295 MPa，強(qiáng)度極限為490 MPa;拉桿材料許用應(yīng)力為700 MPa.

通過對液壓機(jī)模型進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果表明:

(1)液壓機(jī)預(yù)緊螺母與拉桿連接處局部接觸引起的應(yīng)力集中達(dá)到333.75 MPa，拉桿整體平均應(yīng)力為230 MPa左右，遠(yuǎn)未超過拉桿的最大許用應(yīng)力。

(2)液壓機(jī)整體應(yīng)力分布較為均勻，大部分應(yīng)力值都在181 MPa以下，在上橫梁拉桿處應(yīng)力相對大些，缸體因壓力膨脹產(chǎn)生應(yīng)力對上橫梁有一定影響，但影響不大。

(3)活動橫梁上基本沒有應(yīng)力集中，沒有產(chǎn)生大的變形，從而不會對導(dǎo)軌產(chǎn)生過大影響。

(4)下橫梁應(yīng)力集中相對較多，但都遠(yuǎn)低于材料許用應(yīng)力，考慮到工作載荷的周期性，下橫梁應(yīng)增大圓角過度，合理設(shè)置筋板位置，減少應(yīng)力集中，提高使用壽命。

2.2 本體剛度分析

對圖1、圖2進(jìn)行本體剛度分析，可得如下結(jié)論:

(1)拉桿施加預(yù)應(yīng)力后產(chǎn)生形變，形變?yōu)?5 mm，它是液壓機(jī)產(chǎn)生最大形變的部位。(2)上下橫梁通過拉桿的部位受力變形比較大。(3)上橫梁安裝油缸部位出現(xiàn)一定的彎曲變形，但對液壓機(jī)工作影響不大。

(4)當(dāng)液壓機(jī)只有預(yù)緊力時(shí)，立柱向外彎曲，活動橫梁處于受拉狀態(tài);液壓機(jī)有預(yù)緊力的同時(shí)施加工作載荷，立柱向內(nèi)彎曲，活動橫梁處于受壓狀態(tài)，有可能影響液壓機(jī)的導(dǎo)向精度。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中要根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)?；顒訖M梁和立柱之間的導(dǎo)向間隙[11]。

3 預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架的特點(diǎn)

液壓機(jī)框架分為整體式和組合式兩種，整體式框架因?yàn)橹圃爝\(yùn)輸困難逐步淘汰。目前主流采用組合式框架，這種框架分為預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力兩種。采用拉桿連接并對立柱產(chǎn)生彎矩和壓應(yīng)力的為預(yù)應(yīng)力組合式框架。通過減小拉桿應(yīng)力波動幅度，增強(qiáng)材料的抗疲勞性來提高鍛壓機(jī)的鍛造精度。這種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)框架和整體框架相比，可以顯著降低機(jī)體重量，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。同時(shí)避免了局部應(yīng)力集中，是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造工藝。

此液壓機(jī)預(yù)應(yīng)力框架采用多根拉桿進(jìn)行預(yù)緊，不同于單根拉桿預(yù)緊。這種預(yù)緊方式是液壓機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢，具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)許用應(yīng)力為700 MPa的高強(qiáng)度合金鋼棒材相比許用應(yīng)力490 MPa的ZG25Mn材料，在保證預(yù)緊力不變的情況下，能大幅度減小拉桿直徑。在機(jī)加工方面只對拉桿兩端螺紋部位稍加墩粗后加工出來，不必對整個(gè)拉桿進(jìn)行車削加工，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(2)在預(yù)緊拉桿時(shí)采用螺母分別預(yù)緊，簡便易行[12]。

(3)在液壓機(jī)工作時(shí)，拉桿承擔(dān)的彎曲應(yīng)力分散到多根小直徑拉桿共同承擔(dān)，減弱了局部應(yīng)力集中。

4 結(jié)論

機(jī)身進(jìn)行了強(qiáng)度分析，結(jié)果表明其整體機(jī)身應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，滿足工作要求。

(2)全預(yù)緊機(jī)架作為一種先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，廣泛應(yīng)用于快速鍛造液壓機(jī)設(shè)計(jì)制造方面，多根拉桿預(yù)緊機(jī)架減弱局部應(yīng)力集中，對于提高鍛壓機(jī)拉桿使用壽命具有積極意義。

(1)采用有限元分析方法對80 MN快鍛液壓機(jī)

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Finite Element Analysis of 80 MN Rapid Forging Hydraulic Press

LV Qiang，ZHANG Xue-liang，CHEN Yong-hui，WEN Shu-hua，LAN Guo-sheng
(School of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Rapid forging hydraulic press uses liquid to transfer energy to achieve processing equipment.It is commonly used in industrial production.Cylinder，beams and framework as key components of hydraulic machines are the main structural bearing part of hydraulic press.They will cause great loss of production due to the improper design and manufacture.Based on hydraulic design theory，device structure and design experience，this article makes finite element static analysis on 80 MN fast forging hydraulic press frame structure.The results show that the overall stress distribution is uniformed when it works.The machine meets the requirement of strength.This study has great significance to the good use maintenance of hydraulic machine to.

hydraulic press，finite element，static analysis

TH-39

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.015

1673-2057(2015)04-0312-04

2014-12-23

呂強(qiáng)(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐簤簷C(jī)有限元分析。