李吉萍,朱振華

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅蘭州 730050)

預(yù)應(yīng)力缸動(dòng)式液壓機(jī)機(jī)架有限元分析*

李吉萍,朱振華

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅蘭州 730050)

針對(duì)預(yù)應(yīng)力缸動(dòng)式液壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式,主要分析研究液壓機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以ANSYS軟件為分析平臺(tái),分別選取預(yù)應(yīng)力機(jī)架承受正載荷及偏心載荷兩種分析工況,從預(yù)應(yīng)力機(jī)架的應(yīng)力和變形分布情況,得到此種壓機(jī)具有較好的強(qiáng)度和剛度。同時(shí),抗偏載能力較強(qiáng)。為類似結(jié)構(gòu)缸動(dòng)式液壓機(jī)機(jī)架分析設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

預(yù)應(yīng)力;缸動(dòng)式機(jī)架;有限單元法

0 引 言

從鍛造行業(yè)來看,國(guó)內(nèi)大多是自由鍛錘和水壓機(jī),自由鍛錘設(shè)備故障率高、耗能高、精度低、效率低、振動(dòng)大、噪音大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)對(duì)鍛件的尺寸精度和生產(chǎn)效率越來越高的要求,因此用中小型自由鍛壓機(jī)代替自由鍛錘是發(fā)展趨勢(shì),而小型數(shù)控缸動(dòng)式快鍛壓機(jī)在取代自由鍛錘方面有明顯的優(yōu)勢(shì)[1-4],目前,研究較多的是大噸位缸動(dòng)式壓機(jī),此種壓機(jī)主要采用三梁四柱分體式機(jī)架,上橫梁和下橫梁通過預(yù)應(yīng)力拉桿和立柱連接起來構(gòu)成預(yù)應(yīng)力機(jī)架結(jié)構(gòu),每根預(yù)應(yīng)力拉桿有上下兩個(gè)大螺母預(yù)緊,工作缸柱塞固定在上橫梁,缸體固定在滑塊中作上、下運(yùn)動(dòng)[5-6]。

筆者研究的預(yù)應(yīng)力缸動(dòng)式液壓機(jī)主要由預(yù)應(yīng)力機(jī)架、移動(dòng)工作臺(tái)、活動(dòng)滑塊、工作缸、回程缸、上砧、下砧等主要部件組成,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是主機(jī)架和副機(jī)架構(gòu)成雙層機(jī)架。主機(jī)架是整體鑄件結(jié)構(gòu)。副機(jī)架由四根較細(xì)立柱和上橫梁、主機(jī)架預(yù)緊而成。工作缸沿著固定在主機(jī)架中的四個(gè)導(dǎo)向套作上、下運(yùn)動(dòng)。上砧固定在工作缸缸底的下面。移動(dòng)工作臺(tái)跟主機(jī)架相連,下砧放置在移動(dòng)工作臺(tái)上。工作缸的柱塞固定在上橫梁上,工作時(shí)油液通過柱塞中通孔進(jìn)入工作缸。工作缸的回程運(yùn)動(dòng)由裝在主機(jī)架上的兩個(gè)回程缸柱塞通過活動(dòng)滑塊驅(qū)動(dòng)。模型如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力缸動(dòng)式液壓機(jī)結(jié)構(gòu)

1 預(yù)應(yīng)力機(jī)架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

對(duì)預(yù)應(yīng)力缸動(dòng)式液壓機(jī)機(jī)架的分析,首先,應(yīng)確定那些零件對(duì)機(jī)架分析有影響,去掉一些對(duì)分析影響不大的零件,主油缸施加壓力后,作用到上砧和下砧,下砧傳遞豎直向下的力到機(jī)架,上砧傳遞豎直向上的力到上橫梁。因此,分析機(jī)架可以把中間傳力的零件去掉。最后確定分析的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

此種預(yù)應(yīng)力機(jī)架由主機(jī)架、上橫梁、柱套、拉桿、墊片、螺母構(gòu)成受力框架,主機(jī)架是整體框架結(jié)構(gòu),將整體框架和預(yù)應(yīng)力機(jī)架兩種結(jié)構(gòu)形式巧妙的結(jié)合起來,形成一種獨(dú)特的梁柱組合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2 有限元模型的建立

2.1 預(yù)應(yīng)力機(jī)架的模型簡(jiǎn)化

由于預(yù)應(yīng)力機(jī)架模型較復(fù)雜,首先參照預(yù)應(yīng)力機(jī)架設(shè)計(jì)圖紙,利用Solidworks軟件建立三維模型,為了盡可能的減少單元數(shù)量,縮小計(jì)算規(guī)模,節(jié)約計(jì)算時(shí)間,在建模中做一些必要的簡(jiǎn)化,去掉一些對(duì)分析影響不大的圓角、倒角等特征和一些連接用螺紋孔,模型采用實(shí)體單元模擬。預(yù)應(yīng)力拉桿只承受拉應(yīng)力,因此預(yù)應(yīng)力拉桿采用3D桿單元模擬。這樣,既可以簡(jiǎn)化模型又可以模擬實(shí)際的情況,簡(jiǎn)化后的模型如圖2。在Solidworks中建立創(chuàng)建三維模型,然后讀入到ANSYS環(huán)境中,經(jīng)過修正后劃分有限元網(wǎng)格[7]。

圖2 有限元分析模型

2.2 有限元網(wǎng)格的劃分

在劃分網(wǎng)格前,首先要定義單元類型和材料屬性。單元類型根據(jù)預(yù)應(yīng)力機(jī)架的實(shí)際受力情況,選用Solid185單元,Solid185單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度,單元具有超彈性,應(yīng)力鋼化,蠕變,大變形和大應(yīng)變能力,還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求,預(yù)應(yīng)力機(jī)架中主機(jī)架、上橫梁材料均為ZG25Mn,柱套材料為Q345B,螺母材料為 35CrMo,墊片材料為 42CrMo,拉桿材料為30Cr2Ni2Mo,工作臺(tái)材料為ZG270-500。因此,取彈性模量206 GPa,泊松比0.3,密度7 850 kg/m3。

預(yù)應(yīng)力拉桿采用link180單元模擬,預(yù)應(yīng)力機(jī)架網(wǎng)格全部采用四面體網(wǎng)格劃分。由此得出整體機(jī)架的有限元模型如圖2所示,單元1 187 124個(gè),節(jié)點(diǎn)465 076個(gè)。

2.3 載荷工況和邊界條件

為了模擬預(yù)應(yīng)力機(jī)架實(shí)際情況,考慮兩種工況。

工況一:在滿載的情況下,預(yù)應(yīng)力機(jī)架承受正載時(shí)的受力狀況,考慮自重,重力加速度9.8 m/s2。

工況二:在滿載的情況下,預(yù)應(yīng)力機(jī)架承受偏載時(shí)的受力狀況,考慮自重,重力加速度9.8 m/s2,偏心距小于等于100 mm。

預(yù)應(yīng)力機(jī)架零件之間采用不同的方式連接,不同連接方式的處理對(duì)結(jié)果的影響比較大。為了得到比較精確的結(jié)果,應(yīng)該正確處理不同零件的連接關(guān)系,此種連接關(guān)系在有限元中被定義為接觸,接觸是一種高度非線性行為,在ANSYS中設(shè)置三維接觸。接觸算法采用ANSYS罰函數(shù)接觸算法。主機(jī)架底部通過地腳螺栓跟混凝土基礎(chǔ)連接在一起,此處的約束采用全約束。主機(jī)架和墊片,上橫梁和墊片均采用綁定接觸,摩擦系數(shù)0.3。機(jī)架和柱套之間、柱套和上橫梁之間采用standard接觸方式,摩擦系數(shù)0.3。預(yù)應(yīng)力拉桿和主機(jī)架、上橫梁之間用rigid剛性耦合單元連接,耦合相當(dāng)于約束方程的一種特例,實(shí)質(zhì)上就是相關(guān)節(jié)點(diǎn)的自由度的剛性連接,經(jīng)過耦合處理后,被耦合在一起的所有節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的自由度具有相同的計(jì)算結(jié)果。

預(yù)應(yīng)力缸動(dòng)式液壓機(jī)的載荷根據(jù)兩種受力工況,在工作臺(tái)跟砧子接觸的上表面施加一個(gè)豎直向下的力。在上橫梁跟油缸柱塞連接的位置施加一個(gè)豎直向上的力。預(yù)應(yīng)力拉桿施加一定的預(yù)緊應(yīng)力[8]。預(yù)緊力系數(shù)的選用對(duì)整個(gè)模型的計(jì)算具有重要的影響,預(yù)緊力系數(shù)選擇太小,會(huì)導(dǎo)致上橫梁和柱套之間存在縫隙,預(yù)緊力系數(shù)選擇越大,會(huì)使柱套承受較大的預(yù)緊力而壓裂。

2.4 結(jié)果分析

結(jié)果分析表明,預(yù)應(yīng)力機(jī)架在承受正載及偏心載荷時(shí)的等效應(yīng)力分布均勻,整體變形都比較小。因此,機(jī)架具有較好的強(qiáng)度和剛度。同時(shí),抗偏載能力也比較強(qiáng)。預(yù)應(yīng)力機(jī)架承受正載時(shí)的等效應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 機(jī)架的等效應(yīng)力分布

圖4 預(yù)應(yīng)力機(jī)架的變 形分布

其最大的應(yīng)力為100.793 MPa,位于柱套與機(jī)架下表面連接處,主要是拉桿螺母跟機(jī)架采用的是綁定接觸,限制了螺母的運(yùn)動(dòng)。承受正載時(shí)的變形云圖如圖4所示,其最大的變形為0.512 7 mm,位于主機(jī)架跟油缸連接處。

3 結(jié) 論

(1)由于工作缸移動(dòng)于中梁中的四個(gè)導(dǎo)向套中,使主機(jī)架承受較小的水平力和較大的彎矩,故新結(jié)構(gòu)主機(jī)架立柱彎曲應(yīng)力和機(jī)架偏擺動(dòng)值均較小,說明新結(jié)構(gòu)具有較高的抗偏載能力。副機(jī)架跟著主機(jī)架擺動(dòng),它的立柱主要受拉力,僅附加上梁和中梁彎曲變形引起的彎曲應(yīng)力。

(2)由于主機(jī)架立柱較短,其剛度和本振頻率大為提高,結(jié)合動(dòng)載時(shí)偏擺值比較小,證明新結(jié)構(gòu)具有較高的抗偏載能力。

(3)新結(jié)構(gòu)不僅使立柱壽命大為提高,而且采用缸底支撐的工作缸,沒有法蘭破壞的事故,使工作缸壽命大為提高。

(4)工作缸在中梁中的兩個(gè)大導(dǎo)向套中運(yùn)動(dòng),偏載時(shí)工作缸傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)的角度較小,若采用配有楔板式可調(diào)導(dǎo)向板的方形工作缸時(shí),缸的轉(zhuǎn)角將會(huì)更小。這樣,新結(jié)構(gòu)用于各種新能的液壓機(jī)上,將會(huì)得到高精度的質(zhì)件,且無需再設(shè)置復(fù)雜的電、機(jī)、液同步系統(tǒng)。

(5)運(yùn)動(dòng)部分包括工作缸、回程托板和上砧等,重量較輕,快鍛終點(diǎn)時(shí)慣性較小,超程量較小,這給數(shù)控液壓機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了好處。

(6)缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)不足之處是形體上比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高,而且單缸工作壓力分級(jí)有困難(只能用增壓器分級(jí)),但這些不足之處并不影響它在液壓機(jī)中的廣泛應(yīng)用。

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Finite Element Analysis of Frame in the Prestress Cylinder-Action Hydraulic Press

LI Ji-ping,ZHU Zhen-hua
(Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Institute Co.,Ltd,Lanzhou Gansu 730050,China)

Aiming at the structure of a prestress cylinder-action hydraulic press,we mainly analyze the structure characteristics of the hydraulic press frame based on the ANSYS software as the analysis platform;respectively choose the working conditions of under positive load and eccentric load.We get a good strength,stiffness and stability from stress and strain analysis for the hydraulic press.It provides a reference for the similar structural analysis and design on the frame of cylinder-action hydraulic press.

prestress;cylinder-action frame;finite element method

TG315.4

A

1007-4414(2015)05-0061-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.020

2015-08-03

李吉萍(1983-),女,甘肅金昌人,工程師,研究方向:有限元分析。