李吉萍,朱振华

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司,甘肃兰州 730050)

预应力缸动式液压机机架有限元分析*

李吉萍,朱振华

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司,甘肃兰州 730050)

针对预应力缸动式液压机结构形式,主要分析研究液压机机架的结构特点,以ANSYS软件为分析平台,分别选取预应力机架承受正载荷及偏心载荷两种分析工况,从预应力机架的应力和变形分布情况,得到此种压机具有较好的强度和刚度。同时,抗偏载能力较强。为类似结构缸动式液压机机架分析设计提供参考依据。

预应力;缸动式机架;有限单元法

0 引 言

从锻造行业来看,国内大多是自由锻锤和水压机,自由锻锤设备故障率高、耗能高、精度低、效率低、振动大、噪音大,远远不能满足国内对锻件的尺寸精度和生产效率越来越高的要求,因此用中小型自由锻压机代替自由锻锤是发展趋势,而小型数控缸动式快锻压机在取代自由锻锤方面有明显的优势[1-4],目前,研究较多的是大吨位缸动式压机,此种压机主要采用三梁四柱分体式机架,上横梁和下横梁通过预应力拉杆和立柱连接起来构成预应力机架结构,每根预应力拉杆有上下两个大螺母预紧,工作缸柱塞固定在上横梁,缸体固定在滑块中作上、下运动[5-6]。

笔者研究的预应力缸动式液压机主要由预应力机架、移动工作台、活动滑块、工作缸、回程缸、上砧、下砧等主要部件组成,其结构特点是主机架和副机架构成双层机架。主机架是整体铸件结构。副机架由四根较细立柱和上横梁、主机架预紧而成。工作缸沿着固定在主机架中的四个导向套作上、下运动。上砧固定在工作缸缸底的下面。移动工作台跟主机架相连,下砧放置在移动工作台上。工作缸的柱塞固定在上横梁上,工作时油液通过柱塞中通孔进入工作缸。工作缸的回程运动由装在主机架上的两个回程缸柱塞通过活动滑块驱动。模型如图1所示。

图1 预应力缸动式液压机结构

1 预应力机架的结构特点

对预应力缸动式液压机机架的分析,首先,应确定那些零件对机架分析有影响,去掉一些对分析影响不大的零件,主油缸施加压力后,作用到上砧和下砧,下砧传递竖直向下的力到机架,上砧传递竖直向上的力到上横梁。因此,分析机架可以把中间传力的零件去掉。最后确定分析的结构如图2所示。

此种预应力机架由主机架、上横梁、柱套、拉杆、垫片、螺母构成受力框架,主机架是整体框架结构,将整体框架和预应力机架两种结构形式巧妙的结合起来,形成一种独特的梁柱组合结构特点。

2 有限元模型的建立

2.1 预应力机架的模型简化

由于预应力机架模型较复杂,首先参照预应力机架设计图纸,利用Solidworks软件建立三维模型,为了尽可能的减少单元数量,缩小计算规模,节约计算时间,在建模中做一些必要的简化,去掉一些对分析影响不大的圆角、倒角等特征和一些连接用螺纹孔,模型采用实体单元模拟。预应力拉杆只承受拉应力,因此预应力拉杆采用3D杆单元模拟。这样,既可以简化模型又可以模拟实际的情况,简化后的模型如图2。在Solidworks中建立创建三维模型,然后读入到ANSYS环境中,经过修正后划分有限元网格[7]。

图2 有限元分析模型

2.2 有限元网格的划分

在划分网格前,首先要定义单元类型和材料属性。单元类型根据预应力机架的实际受力情况,选用Solid185单元,Solid185单元用于构造三维实体结构。单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度,单元具有超弹性,应力钢化,蠕变,大变形和大应变能力,还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。

根据设计图纸的要求,预应力机架中主机架、上横梁材料均为ZG25Mn,柱套材料为Q345B,螺母材料为 35CrMo,垫片材料为 42CrMo,拉杆材料为30Cr2Ni2Mo,工作台材料为ZG270-500。因此,取弹性模量206 GPa,泊松比0.3,密度7 850 kg/m3。

预应力拉杆采用link180单元模拟,预应力机架网格全部采用四面体网格划分。由此得出整体机架的有限元模型如图2所示,单元1 187 124个,节点465 076个。

2.3 载荷工况和边界条件

为了模拟预应力机架实际情况,考虑两种工况。

工况一:在满载的情况下,预应力机架承受正载时的受力状况,考虑自重,重力加速度9.8 m/s2。

工况二:在满载的情况下,预应力机架承受偏载时的受力状况,考虑自重,重力加速度9.8 m/s2,偏心距小于等于100 mm。

预应力机架零件之间采用不同的方式连接,不同连接方式的处理对结果的影响比较大。为了得到比较精确的结果,应该正确处理不同零件的连接关系,此种连接关系在有限元中被定义为接触,接触是一种高度非线性行为,在ANSYS中设置三维接触。接触算法采用ANSYS罚函数接触算法。主机架底部通过地脚螺栓跟混凝土基础连接在一起,此处的约束采用全约束。主机架和垫片,上横梁和垫片均采用绑定接触,摩擦系数0.3。机架和柱套之间、柱套和上横梁之间采用standard接触方式,摩擦系数0.3。预应力拉杆和主机架、上横梁之间用rigid刚性耦合单元连接,耦合相当于约束方程的一种特例,实质上就是相关节点的自由度的刚性连接,经过耦合处理后,被耦合在一起的所有节点相应的自由度具有相同的计算结果。

预应力缸动式液压机的载荷根据两种受力工况,在工作台跟砧子接触的上表面施加一个竖直向下的力。在上横梁跟油缸柱塞连接的位置施加一个竖直向上的力。预应力拉杆施加一定的预紧应力[8]。预紧力系数的选用对整个模型的计算具有重要的影响,预紧力系数选择太小,会导致上横梁和柱套之间存在缝隙,预紧力系数选择越大,会使柱套承受较大的预紧力而压裂。

2.4 结果分析

结果分析表明,预应力机架在承受正载及偏心载荷时的等效应力分布均匀,整体变形都比较小。因此,机架具有较好的强度和刚度。同时,抗偏载能力也比较强。预应力机架承受正载时的等效应力分布如图3所示。

图3 机架的等效应力分布

图4 预应力机架的变 形分布

其最大的应力为100.793 MPa,位于柱套与机架下表面连接处,主要是拉杆螺母跟机架采用的是绑定接触,限制了螺母的运动。承受正载时的变形云图如图4所示,其最大的变形为0.512 7 mm,位于主机架跟油缸连接处。

3 结 论

(1)由于工作缸移动于中梁中的四个导向套中,使主机架承受较小的水平力和较大的弯矩,故新结构主机架立柱弯曲应力和机架偏摆动值均较小,说明新结构具有较高的抗偏载能力。副机架跟着主机架摆动,它的立柱主要受拉力,仅附加上梁和中梁弯曲变形引起的弯曲应力。

(2)由于主机架立柱较短,其刚度和本振频率大为提高,结合动载时偏摆值比较小,证明新结构具有较高的抗偏载能力。

(3)新结构不仅使立柱寿命大为提高,而且采用缸底支撑的工作缸,没有法兰破坏的事故,使工作缸寿命大为提高。

(4)工作缸在中梁中的两个大导向套中运动,偏载时工作缸倾斜转动的角度较小,若采用配有楔板式可调导向板的方形工作缸时,缸的转角将会更小。这样,新结构用于各种新能的液压机上,将会得到高精度的质件,且无需再设置复杂的电、机、液同步系统。

(5)运动部分包括工作缸、回程托板和上砧等,重量较轻,快锻终点时惯性较小,超程量较小,这给数控液压机组控制系统设计带来了好处。

(6)缸动式结构不足之处是形体上比传统结构高,而且单缸工作压力分级有困难(只能用增压器分级),但这些不足之处并不影响它在液压机中的广泛应用。

[1] 高俊峰.我国快锻液压机的发展与现状[J].锻压术,2008(6):1 -5.

[2] 郭树伟.中小型自由锻造装备的发展趋势及整体解决方案[A].中国锻压协会.中国国际自由锻会议2010论文集.

[3] 蔡 墉.我国自由锻液压机和大型锻件生产的发展历程[J].大型铸锻件,2007(1):1-4.

[4] 林永新.锻造设备制造技术的发展[J].稀有金属快报,2004 (12):1-3.

[5] 韩小明,张 雷,张连洪.新型缸动式液压机整机有限元分析[J].锻压装备与制造技术,2007(1):1-3.

[6] 李新健.大吨位四柱式闸板缸动式液压机的机身有限元分析[J].锻压装备与制造技术,2011)1):1-4.

[7] 张建伟,白海波,李 昕.ANSYS14.0超级学习手册[M].2013.

[8] 王春寒.在ANSYS软件中高强度预紧力的施加方法[J].四川建筑,2006(1): 1-2.

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,甘肃金昌人,工程师,研究方向:有限元分析。