（材料加工工程专业论文）20mn快锻液压机关键部件结构分析.pdf

摘要 摘，要 工作缸、横梁和框架是液压机的关键部件，承受着液压机的主要载荷。 由于设计、制造或使用不当，这些部件极易过早损坏，给生产带来重大损 失。 本文基于液压机设计理论，并参考已有快锻液压机的结构和设计经验， 根据2 0m n 快锻液压机的技术参数和工艺要求，给出了其关键部件工作缸、 固定横梁和机架的初始设计方案。方案初步确定了工作缸采用缸底支承型 式，机架为整体铸造结构以及固定横梁的结构型式。在此基础上，通过大 型有限元分析软件a n s y s 对关键部件进行了有限元结构静力分析 首先，对工作缸、固定横梁和机架的强度和刚度进行了校核，以保证 液压机整体结构的刚度和抗偏载能力。其次，对关键部件的高负荷部位和 敏感区域进行了应力和变形分析，包括缸底支承型式和法兰支承型式工作 缸的比较，固定横梁主要工作方向的应力，变形分布，以及机架的各受力 部位在不同载荷下的分析比较，并且，对工作缸的缸底过渡曲线提出了改 进方案，通过分析比较，确定改进方案是合理的，也是可行的 论文采用三维造型软件p r o e 建立实体模型，通过合理的简化建立有限 元模型。通过大量的有限元分析结果，验证了工作缸、固定横梁和机架结 构的合理性和可行性，并为2 0m n 快锻液压机的整体结构设计、制造和使 用提供了可靠的依据。 关键词工作缸；固定横梁；：机架；结构；有限元 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t c y l i n d e r , b e a ma n df r a m ew h i c ht a k e o nt h em a i nl o a d sa r e k e y c o m p o n e n t so fh y d r a n l i ep r e s s 1 1 1 c ya r ec o m m o n l ya b a t e do w i n g t oi r r a t i o n a l d e s i g n , m a n u f a c t u r ea n do p e r a t i o n ，w h i c hb r i n gm o m e n t o u sd a m a g e b a s e do nt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dr e q u e s tf o rt e c h n i c so f2 0m n q u i c k f o r g i n gh y d r a u l i cp r e s s ，a c c o r d i n ga sh y d r a u l i cp r e s sd e s i g nt h e o r ya n dd e s i g n e x p e r i e n c eo fq u i c kf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s s , t h ed i s s e r t a t i o nh a sc o n f i r m e dt h e p r i m ep l a no f s t r u c t u r eo fc y l i n d e r , b e a ma n df r a m e t h ep l a nd e f i n e st h a tt h e c y l i n d e ri ss u p p o r t e db yb o t t o m , a n dt h a tb e a ma n df r a m ea r ec a s ts t e e ls t r u c t u r e o nt h i sb a s i s ，l a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sh a sb e e nu s e dt o c a l c u l a t et h et h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tt ok e yc o m p o n e n t s a tf i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sc h e c k e dt h e r i g i d i t y a n d i n t e n s i t y o f c o m p o n e n t sp a r t s , s oa st oe n s u r et h a tc a nm e e tt h er i g i d i t ya n dc a p a b i l i t yo f n o n c e n t r a ll o a do fq u i c kf o r g i n g h y d r a u l i cp r e s s s e c o n d l y , s t r e s sa n d d e f o r m a t i o na n a l y s i sa r ea p p l i e do nt h es e n s i t i v er e g i o n , i n c l u d i n gt h eb o t t o mo f c y l i n d e r , t h ei n a i nd i r e c t i o no fb e a ma n dc o m p o n e n t so ff r a m e a n dl a s t , a l l i m p r o v e m e n to ft h eb o t t o mo fc y l i n d e ri sg i v e n , w h i c hi sp r o v e dr a t i o n a la n d m a n i p u l a b l e a f t e ra n a l y s i s t h et h r e e - d i m e n s i o nd e s i g ns o f t w a r ep r o eh a sb e e na d o p t e dt ob u i l d m o d e l sa n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l sa r eb u i l t a f t e rr a t i o n a lp r e d i g e s t i o n t h r o u g hm u c ha n a l y s i s ，t h ed i s s e r t a t i o ne n s u r es t r u c t u r eo fc y l i n d e r , b e a ma n d f r a m er a t i o n a la n dm a n i p u l a b l e ，w h i c h p r o v i d er e l i a b l e b a s i sf o r d e s i g n , m a n u f a c t u r ea n do p e r a t i o no f 2 0m n q u i c kf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s s k e y w o r d sc y l i n d e r ；b e a m ；f r a m e ；s t r u c t u r e ；f i n i t ee l e m e n t i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文2 0m n 快锻液压机关键 部件结构分析，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果对本文的研究工作做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签字：蝴 吼 呷年妇妇 燕山大学硕士学位论文使用授权书 2 0m n 快锻液压机关键部件结构分析系本人在燕山大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕 山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交 论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学， 可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书 本学位论文属于， 不保密回 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：州年蛔，伯 日期：阃年5 月、6 日 第1 章绪论 1 i 引言 第1 章绪论 液压机是机械制造业的一种基础设备，其应用涉及国民经济的各个领 域，尤其是塑性加工领域得到了日益广泛的应用，它已经成为制品成型生 产中应用最广的设备之一。现代重型锻造液压机的制造能力和水平更是成 为一个国家国力的象征【1 】。解放以后，我国先后制造了一批大型锻造液压机， 形成了大型锻件的生产基地，这对于迅速发展我国的工农业生产，巩固国 防都具有非常重大的意义。 随着金属压制和拉伸制品的需求逐年提高，对产品品种的要求也日益 增多，另一方面，产品的生产批量也逐渐缩小。为与中小批量生产相适应， 需要能快速调整的加工设备，这使液压机成为理想的成型工艺设备。特别 是当液压机系统实现具有对压力、行程速度单独调整功能后，不仅能实现 对复杂工件以及不对称工件的加工，而且，废品率非常低。与机械加工系 统相比，有极大的优越性。8 0 年代以来，随着微电子技术、液压技术等的 发展，液压机有了更进一步的发展，其高技术含量增多，众多机型已采用 c m c 或p c 机来控制，提高了产品的加工质量和生产率 2 1 。 但是，随着机械工业、国防工业以及宇航工业的发展，对优质合金钢、 耐热合金钢的需求日益增长，人们对自由锻件的尺寸精度和生产效率提出 了越来越高的要求，因而对液压机的锻造速度和压下精度的要求也随之提 高。传统的三梁四柱式压力机效率低下，自动化程度低，已远不能满足上 述要求。双柱下拉式快锻液压机不仅具有抗偏载能力强、立柱导向间隙易 于调整、操作视野宽、有效作业范围广、起重机易于接近、框架刚性好且 重心低不易晃动、锻造车间厂房低、因漏油引起火灾的危险性小等优点， 因此，快速锻造液压机是目前国内外锻造设备发展的主要趋势之一【3 】。 随着我国现代化建设的迅速发展，特别是吸收了国外同行的生产经验 和技术，引进国外先进生产设备，锻件的生产技术获得了明显的发展和提 燕山大学工学硕士学位论文 高。但是由于生产工艺和设计手段依然落后，在很大程度上影响了我国锻 造生产的水平。因此，实现锻造工艺设计计算机化，采用先进的数值模拟 方法预测分析成形过程，降低设计成本，缩短设计周期，提高生产效率， 已成为目前我国锻造业急需解决的问题。 由于计算机软、硬件技术的快速发展和有限元方法的不断完善，计算 机模拟技术得到了越来越广泛的应用，计算机数值模拟本质上可以虚拟试 验现实，将大量反复的试验工作在计算机上完成。利用数值仿真的结果为工 程设计、质量控制、失效分析提供有价值的参考与预测。本课题通过有限 元数值模拟对2 0m n 快锻液压机关键零部件的刚度和强度进行分析，为确 定其合理的结构设计方案提供依据。 1 2 液压机结构分类和特点 液压机按照工作介质可以分为水压机和油压机。水压机以乳化液为工 作介质，乳化液价格便宜，不燃烧，不易污染场地，多用于耗液量大以及 热加工的液压机。油压机中应用最广的是机械油，有时也采用其它液压油。 油在防腐蚀、防锈和润滑性能方面都比乳化液好，而且油的粘度比较大， 容易密封。但是油的成本高，易污染场地。 按照功能和用途可分为锻造液压机，冲压液压机，一般用途液压机， 校正、包装液压机，层压液压机，挤压液压机，压制液压机，打包液压机， 专用液压机等类型。 按照机架结构形式可以分为梁柱式，组合框架式、整体框架式、单臂 式等。 但无论哪种结构型式的液压机，总是由若干不同功能的组件组成。液 压机主机结构包括机身、各执行机构、各油缸和滑块。合理的选择主机结 构对于确保使用要求，制造工艺和其它技术经济指标都有很大的意义。 三梁四柱式是最常见的液压机本体结构形式。它由上横梁、下横梁、 四个立柱和十六个内外螺母组成一个封闭框架，框架承受全部工作载荷。 工作缸固定在上横梁上，工作柱塞与活动横梁连接。活动横梁以四根立柱 为导向，在上、下横梁之间往复运动活动横梁下面固定有上砧，下砧则 2 第1 章绪论 一 固定于下横梁上的工作台上。它的特点是工作空间宽敞、便于四面观察和 接近模具，整机结构简单，工艺性较好。缺点是承受偏心载荷能力较差。 “ 组合框架式就是拉杆预应力组合结构形式。其特点是各零件结构和工 艺性简单，单件重量较小，支柱只承受压应力，工作中水平变形较小，并 消除了整体结构中转角处的应力集中弊病。这种结构总重量较三梁四柱式 大 单臂式结构又称“c ”形床身或开式结构。该结构最突出的优点就是操 作方便，可三面接近工件，装卸件简单方便。缺点是机身为悬臂梁受力， 机架刚度较差。 整体框架结构多用于中小型液压机由于机架在工作过程中承受拉力 和弯曲应力，因此大多采用钢板焊接和整体铸钢结构。 目前，全国生产大锻件的主力设备仍然是上个世纪5 0 到7 0 年代生产 的锻造液压机，主要有以下两大类：第一类是传统结构，主机多为三梁四 柱上传动型式。传动型式大多为水泵蓄势器传动。这类液压机结构简单， 元器件国产化程度高，故障率低，具有一般故障自排除功能。第二类是“快 锻液压机”，主机多为两柱下拉式，油泵直接传动，采用“电液伺服”控制， 可以精确地控制行程大小，大都配有操作机。这类液压机有进口和国产的， 技术含量较高，但关键元器件可靠性不高，一遇故障很难排除本题设计 的锻造液压机采用第二类结构【5 堋。 1 3 快锻液压机结构简介 ， 。 快速锻造液压机通常采用整体框架下拉式结构。主机主要包括整体机 架、固定梁、工作缸、回程缸以及其它辅助装置。如图1 1 所示。工作缸6 固定在固定横梁5 上，柱塞7 与机架1 下部连接。当高压液体进入工作缸6 后，推动柱塞7 向下运动。柱塞7 带动机架l 压下，通过固定在机架上的 上模2 对锻件3 实施作用力 快锻液压机不仅抗偏载能力强，而且能够与操作机实现联动，液压机 的上下冲程、操作机的进给量和和夹钳的转动是按程序自动完成的，能够 按照事先计算好的压下道次进行锻造，这就使生产率大为提高。 3 燕山大学工学硕士学位论文 本题所设计的2 0m n 快锻液压机采用的是整体铸造框架结构，其特点 是零件数量少，加工面少，机架刚度大。结构上壁厚不能太薄、厚度差不 能太大，因此重量较大。 l i 机架2 上模3 锻件4 下模5 固定横梁6 工作缸7 柱塞 图1 - 1 快锻液压机本体结构简图【9 】 f i g 1 1 q u i c kf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s sb o d ys t r u c t u r e 1 4 液压机发展现状。 建国前，国内仅有少数几家工厂拥有数量极少的锻压设备，并主要从 事机械修配。而今天我国已经拥有种类规格齐全的5 0 0 0 多台大中型锻压设 备，且拥有的1 0 0m n 级大型液压机的数量已跃居世界第三位，大锻件锻造 已有一定规模和水平，但是辅助配套设施还很不齐备，如锻造操作机、大 截面切割机、锻件尺寸测量控制装置、工具操作机等都不配套，从而大大 影响了材料利用率和生产效率。通常，国内钢锭锻造利用率为5 4 5 6 ， 而国际水平为6 0 6 3 ；锻造加热炉热效率国内为1 0 ，而国际水平为 2 0 左右【1 0 1 。 液压机的速度低，生产率不如机械压力机，这是液压机的主要缺点。 4 第i 章绪论 5 8 g 窨 始 ilj 8 般 ? 2 h 匝 ll | | + 祷 苫 8 i 口 寸 。一 n 雹 ? i ? i 粼 2 、。 h 堇 r 匠 ill 出 磅( 黜 卜 h o 圃 ? 8 8 燃 n 一 、口 o 器 8 i g i 一 一 雹 iii 林 驻 登 殷 ? ii g 雹 兽 ii n = f 琦( 寸 d 一e 鼍鼍 ee 曼 # 苦 童 暑 量吕 晏 e 一 g e r毯 奄、幽蜊趟 型型 妊趟 钟垃黜幽艘醛谴士s罂 鼎型船驰醚靶 疑 掰 抵世世州雷爰g盛 hh o2d。li；专皇暑u罾oj蔷ln口u嚣罾ojj0量o#a意一墨量u1日苫 l - i o i q 盘 ni黎搬蜒累基幽臻器$女皿 i 1 僻 燕山大学工学硕士学位论文 近些年来世界各主要工业发达国家都在努力提高液压机的速度，以便提高 生产率。因此，相继出现了快速锻造液压机、快速冲裁拉深液压机、高速 液压机、高速多工位液压机等。目前，快锻液压机的设计有如下特点：油 泵直接驱动；大多采用下拉式主机结构；液压泵站一般设置在主机附近的 地下室内。表1 1 为国外快锻液压机的主要规格参数。国内从8 0 年代开始 对快锻液压机的研制工作，由西安重型机械研究所和北京重机厂研制的国 产第一台8 0 0 0k n 快锻液压机组在兰州石化总厂投入运营。此后，随着快 锻液压机的快速发展，其技术日趋成熟。到目前为止，压机的主要性能指 标已基本接近国外同类设备水平，但其液压系统的主要部件如泵、先导阀 等仍靠国外配套 1 2 1 4 l 。 1 5 课题的研究意义和研究内容 液压机的工作缸、横梁和机架是液压机的主要承载部件。工作缸往往 由于设计、制造或使用不当，过早损坏如某大型模锻水压机使用十多年， 主工作缸损坏十四次，先后做过四个缸，每造一个缸约耗费数十万元。横 梁和机架都是液压机中的大型部件，制造费用高昂，且制造困难，一旦损 坏，不但耗费人力物力，而且致使停工停产。因此，对于液压机的工作缸、 横梁和机架等关键部件进行定量的结构分析，给出合理的结构设计是十分 重要的【l 扣锕 本课题研究的主要内容是对2 0m n 快锻液压机关键部件进行数值模拟 分析，为该压机整体方案的最终确定提供设计依据。 ( 1 ) 根据用户的工艺要求与液压机的技术参数，提出2 0m n 快锻液压机 工作缸、固定横梁和机架的初始结构设计方案。 ( 2 ) 应用p r o e 参数化造型软件建立工作缸、固定横梁和机架的三维实 体模型，应用a n s y s 有限元软件进行数值模拟分析。 ( 3 ) 根据分析结果对初始设计方案进行改进设计。 6 第2 章工作缸结构设计及有限元分析 第2 章工作缸结构设计及有限元分析 2 1 。2 0m n 快锻液压机主要技术参数 根据用户的生产需求与工艺要求，确定2 0m n 快锻液压机的结构型式 为整体框架单缸下拉式结构。其主要技术参数列于表2 1 。 表2 - 12 0m n 快锻液压机基本参数 t a b l e2 - 1m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f 2 0m n q u i c kf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s s 参数名称数值参数名称数值 公称压力 2 0 m n 。 结构型式整体框架下拉式 回程力4 m n锻造次数常锻2 0 4 4 5 次 介质压力 3 2 m p a ( 每分钟) 快锻8 0 8 5 次 最大行程1 6 0 0 m m拔长3 2 t 锻造能力 最大净空距 3 1 5 0 m m镦粗1 4 t 传动型式 油泵直驱传动 锻造精度 士l m m 工作台尺寸 1 6 0 0 5 0 0 0m m 最大偏心距 1 6 0 m m 最大空程速度下降3 5 0快锻1 0 m m 锻造行程 ( m m s ) 回程3 5 0常锻! 1 0 0 m i l l 2 2 工作缸结构设计 2 2 1 液压缸结构概述 。 液压缸部件通常可以分为柱塞式、活塞式和差动式三种： ( 1 ) 柱塞式液压缸该型式液压缸结构简单、制造容易，但只能单方向 作用，广泛用于主工作缸、回程缸、工作台移动缸及平衡缸等处。 ( 2 ) 活塞式液压缸该型式液压缸内表面在全长上均需加工，精度和光 洁度要求较高，结构比较复杂，在水压机中应用不多，但中小型油压机上 应用很普遍。 7 燕山大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 差动柱塞式液压缸该型式液压缸多用于回程缸，该缸结构比柱塞 式和活塞式液压缸多一处密封，但当回程缸装于上横梁上时，与活动横梁 的连接比较简单。 液压缸的结构型式一般根据液压机总体结构、缸的总压力大小及工作 条件的要求来选定。液压缸的支承型式有法兰支承和缸底支承两种。 ( 1 ) 法兰支承液压缸以法兰支承并安装在横梁内，由缸外壁的两个环 形面积与横梁相配合。这种结构的缺点是缸壁法兰过渡区存在应力集中， 易于疲劳损坏。 ( 2 ) 缸底支承液压缸直接靠缸底固定在横梁上这种缸不需要法兰， 消除了法兰区的应力集中，并可减小缸体毛坯尺寸。缺点是压机高度有较 大增加，缸底与横梁的接触情况不易测量。目前这种支承型式在大型模锻 液压机上使用较多。 液压缸是液压机的动力输出部件，也是液压机部件中经常出现破坏失 效的部件之一。液压缸破坏的部位多数发生在法兰与缸壁连接的圆弧部分， 其次在缸壁向缸底过渡的圆弧部分，少数在圆筒筒壁产生裂纹，也有因气 蚀严重而损坏的，阐述如下： ( 1 ) 圆筒筒壁一般裂纹首先出现在内壁，逐渐向外发展，裂纹多为纵 向分布，或与缸壁母线成4 5 0 角。 ( 2 ) 缸的法兰部分首先在缸外部法兰过渡圆弧处出现裂纹，逐渐沿环 向及向内壁扩展，最后裂透，或者裂纹扩展到螺纹孔，使法兰局部脱落， 个别严重情况，甚至沿过渡圆角处法兰整圈开裂而脱落。 ( 3 ) 缸底首先在内壁过渡圆角处开始出现环向裂纹，逐渐向外壁扩展 乃至裂透。 ( 4 ) 气蚀液压缸也有因气蚀产生蜂窝状麻点而损坏，尤其是在进水孔 内壁，容易产生气蚀。 影响液压缸寿命的因素是多方面的，必须结合具体情况进行分析，但 归纳起来主要有以下几个方面： ( 1 ) 设计方面结构尺寸设计的不合理，如法兰高度太小或法兰外径过 大，使综合应力过高而损坏；从缸壁到法兰的过渡区结构设计不合理，也 8 第2 章工作缸结构设计及有限元分析 会引起很大的应力集中；从缸底到缸壁的过渡区会产生弯曲应力并有应力 集中，此处圆弧半径太小是缸底破裂的主要原因之一，一般不应小于液压 缸缸径的八分之一。 ( 2 ) 加工制造方面由于法兰及缸底圆弧过渡区有应力集中，如加工粗 糙度很差，有明显刀痕，会对应力集中敏感，降低疲劳强度，特别是缸底 过渡圆弧，加工比较困难，更应注意。 ( 3 ) 安装使用方面法兰支承型式的液压缸法兰与横梁接触面应要求8 0 以上的面积紧密接触，即在累计4 5 圆周长度上间隙不大于o 0 5m m 。对 于缸底支承型式的液压缸，应对缸底与横梁的接触情况进行测量，保证缸 底与横梁接触良好”“。 2 2 2 工作缸结构设计 根据2 0m n 快锻液压机的生产工艺特点以及总体结构要求，该压机采 用单工作缸。工作缸采用缸底支承，柱塞传动型式。工作缸通过法兰上的 螺栓固定在固定横梁上。为了避免固定横梁高度的增加，法兰设置在缸体 中部而不像传统结构那样设置在缸口部分。传统型式的液压缸的进油口一 般开在缸底，为避免影响移动工作台，该压机进油口设在工作缸法兰外缘 图2 - i 工作缸结构简图 f i g 2 一i s t r u c t u r eo f c y l i n d e r 9 燕山大学工学硕士学位论文 侧面。缸体采用合金钢锻焊型式。缸体材料为2 0 m n m o ，调质后，o 宦5 3 0 m p a ，0 2 3 7 2m p a 。 根据材料力学公式以及经验公式初步确定工作缸的基本尺寸，如图2 1 所示。 2 3 工作缸的有限元分析 2 3 1 有限元软件a n s y s 简介 a n s y s 是国际著名的大型有限元软件之一，广泛应用于航空航天、汽 车、机械制造、电子电气、船舶、压力容器、核能、生物医学等众多领域。 a n s y s 以其m u l t i p h y s i c s ( 多物理场) 分析功能而著称。它包括有结构、流体、 电磁、热四大学科，并提供了各物理场间相互耦合的功能。 a n s y s 分析过程包括三个阶段： ( 1 ) 前处理模块前处理用于定义求解所需的数据。用户可选择坐标系 统、单元类型、定义实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格剖 分、控制节点和单元以及定义耦合和约束方程。通过运行一个统计模块， 用户还可预测求解过程所需的文件大小及内存需求。 ( 2 ) 求解模块在前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段可通过求解 器获得分析结果在该阶段用户可以定义分析类型、分析选项，载荷数据 和载荷步选项，然后开始有限元的求解。 ( 3 ) 后处理模块a n s y s 的后处理过程在前处理和求解过程之后，它可 以通过友好的用户接口获得求解过程的计算结果并对这些结果进行运算。 例如这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式 有图形显示和数据列表两种。在交互式后处理过程中，图形可联机输出到 显示设备上或脱机输出到绘图仪上。由于后处理阶段完全同a n s y s 前处理 和求解阶段集成在一起，故求解结果已存于数据库且能立即查看【2 猢7 t 。 2 3 2 有限元模型的建立 本文采用a n s y s 软件对2 0m n 快锻液压机的关键部件进行有限元分 析利用a n s y s 建立有限元模型的途径有： 1 0 第2 章工作缸结构设计及有限元分析 o ) n 用a n s y s 创建的实体模型直接划分有限元网格。 ( 2 ) 利用a n s y s 直接创建节点和单元。 ( 3 ) 利用其它软件建立有限元模型，将其数据导入a n s y s 。 由于2 0m n 快锻液压机的关键部件( 包括工作缸、固定横梁、机架) 结 构非常复杂，而且a n s y s 前处理模块的建模功能有限，所以，本文采用 p r o ，e n g i n e e r 软件进行参数化建模，然后将实体模型导入a n s y s 。 图2 - 2t 作缸的实体模型 f i g 2 - 2 m o d e lo f c y l i n d e r p r o e n g i n e e r 是美国p t c 公司推出的工程设计软件，广泛应用于电 子、机械、模具、工业设计、汽车、航空航天、家电、玩具等行业，是一 个全方位的3 d 产品开发软件。该软件最显著的特点是使用了参数化造型技 术【2 缸3 n 一 根据前述工作缸结构设计方案，应用p r o e 软件建立工作缸实体模型， 如图2 2 所示。 工作缸材料为2 0 m n m o ，其具体性能如表2 2 所示 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 表2 - 2 材料性能参数 t a b l e2 - 2p a r a m e t e r o f m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c 密度弹性模量屈服应力 强度极限 材料名称泊松比 ( k g m * )( g p a ) ( m p a )( m p a ) 2 0 m n m o7 8 5 02 1 0o 3 3 7 25 3 0 考虑到精度和计算时间的问题，该工作缸采用s o l i d l 8 7 单元。划分 网格时把单元尺寸设定为o 1m ，并且在工作缸的进油口和缸底圆弧过渡处 加以细化。这样整个工作缸模型共划分为1 7 6 1 5 5 个单元，2 5 5 0 3 6 个节点。 网格划分模型如图2 3 所示。 图2 - 3 工作缸的网格划分 f i g 2 3m e s ho f c y l i n d e r 2 3 3 边界条件和载荷 工作缸的实际受力比较复杂，包括法兰固定螺栓、压盖螺柱对工作缸 的作用力，这些作用力与工作缸内部的液体压力相比小的多，故可略去不 计。故对工作缸有限元模型施加以下载荷： ( 1 ) 在工作缸内部( 导套以内) 施加工作压力3 2m p a ( 液体压力) ； ( 2 ) 对工作缸外底面施加y 向约束； ( 3 ) 在工作缸与固定横梁相配合的两个环形面上施加0 2t u r n 的位移。 1 2 第2 章工作缸结构设计及有限元分析 2 4 计算结果分析 2 4 1 工作缸整体强度和变形分析 工作缸的等效应力、等效应变和位移云图如图2 - 4 图2 - 6 所示。由图 可以看出，工作缸在工作状态下的最大等效应力为2 2 3 5m p a ，出现在充液 口里侧下边缘，缸底圆角过渡部分等效应力为1 4 0 1 8 0m p a ，其余部分均 小于1 2 0m p a 。最大等效应变为0 0 0 1 1 1 8 ，也出现在充液口里侧边缘。最大 位移量为0 3 2 9 8r a i n ，出现在工作缸内壁由以上分析可知，2 0m n 快锻 液压机工作缸整体强度和变形基本满足设计要求。 图2 4 工作缸的等效应力 f i g 2 - 4e q u i v a l e n ts t r e s so f c y l i n d e r 图2 - 5 工作缸的等效应变 f i g 2 - 5e q u i v a l e n ts t r a i no f c y l i n d e r 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 图2 6t 作缸的总变形 f i g 2 6 s u m d i s p l a c e m e n to f c y l i n d e r 2 4 2 缸底支承与法兰支承的比较 以缸的法兰上表面作为支承面的液压缸是各种液压机中采用最多的结 构型式。法兰支承液压缸的受力情况比较复杂，其缸底及法兰均承受弯曲， 这两处的弯矩对于中间的简体的受力情况均会产生一定的影响 3 2 3 4 1 。 为了比较缸底支承型式和法兰支承型式的工作缸的受力及变形情况， 对法兰支承型式的工作缸也进行三维有限元分析。图2 7 图2 - 9 为法兰支 承型式的2 0m n 快锻液压机工作缸的等效应力、应变和位移云图。由图可 图2 - 7 法兰支承型式工作缸的等效应力 f i g 2 - 7 e q u i v a l e n ts t r e s so f c y l i n d e rw i t hf l a n g es u p p o r t i n g 1 4 第2 章工作缸结构设计及有限元分析 图2 - 8 法兰支承型式工作缸的等效应变 f i g 2 8e q u i v a l e n ts t r a i no f c y l i n d e rw i t hf l a n g es u p p o r t i n g 图2 - 9 法兰支承型式工作缸的总变形 f i g 2 9 s u md i s p l a c e m e n to f c y l i n d e rw i t hf l a n g es u p p o r t i n g 知，法兰支承时工作缸最大等效应力为2 7 9 5m p a ，出现在支承法兰与缸壁 的过渡圆角处，缸底等效应力在1 5 0 2 1 0m p a 之间最大等效应变为 0 0 0 1 3 9 8 ，出现在支承法兰与缸壁的过渡圆角处。最大变形量为0 2 7 8l l l n ， 出现在工作缸内壁。 在工作缸内壁的母线上= o ，z = 0 4 6 7 5 ) 选取一系列节点及其等效应 力和变形值，根据这些数据得到缸底支承型式和法兰支承型式的工作缸的 应力、变形分布曲线如图2 1 0 、图2 1 1 所示，其中横坐标y 为节点的y 向 坐标值。由图可知： ( 1 ) 两种支承型式的工作缸相比较，缸底支承型式的工作缸的应力较 15 燕山大学工学硕士学位论文 0 3 5 o 3 夸0 2 5 麓 争( 0 2 0 1 5 0 1 图2 一l o 工作缸的等效应力图 f i g 2 1 0e q u i v a l e n ts t r e s so f c y l i n d e r 缸底支承型式 法兰支承型式 y ( m ) 图2 一l l 工作缸的变形曲线 f i g 2 - 1 1 s u md i s p l a c e m e n to f c y l i n d e r 小，尤其是在缸底过渡圆角处，而且其应力变化较平稳； ( 2 ) 缸底支承型式的工作缸中间圆筒部分变形较大，但其在缸底圆角处 变形较小，且变化平稳。 由以上分析可知，2 0m n 快锻液压机工作缸选用缸底支承型式不但满 足该压机独特的结构要求，而且在受力和变形方面也是合理的，所以该工 作缸满足设计要求。 1 6 第2 章工作缸结构设计及有限元分析 2 4 3 工作缸缸底圆角的分析 缸底支承型式的液压缸避免了法兰支承型式液压缸法兰与缸壁过渡区 的应力集中问题，但缸底与缸壁过渡区的应力集中问题需要考虑。 改进前 改进后 图2 - 1 2 工作缸缸底结构 f i g 2 1 2 s 仃u c t u r eo f t h eb o t t o mo f c y l i n d e r 液压缸缸底圆角过渡区容易产生应力集中，例如过渡圆弧半径太小， 或圆弧形状过于复杂致使加工困难，粗糙度太差，有明显刀痕，都会使缸 底对应力集中敏感，降低缸的疲劳强度，因此在设计时应特别注意。本文 对2 0m n 快锻液压机工作缸缸底圆角进行了改进，如图2 1 2 所示，前者为 2 0m n 快锻液压机工作缸缸底圆角形式，后者为改进后的工作缸缸底圆角 形式。改进前缸底过渡圆角型式类似于退刀槽结构，改进后为单纯的圆弧 过渡：改进前后过渡圆弧半径均为1 2 0n l i n 。 图2 1 3 和图2 1 4 为改进后的工作缸等效应力和变形云图。在工作缸母 线上= o ，z = 0 4 6 7 5 ) 选取一系列节点及其等效应力和总变形值。根据这 些数据得到改进前和改进后的工作缸的等效应力分布图和变形分布图如图 2 1 5 和图2 1 6 所示，其中横坐标y 为节点的y 向坐标值。 由图2 1 3 图2 1 6 分析可知： 。 ( 1 ) 改进后工作缸的最大等效应力为2 2 1 7m p a ，最大变形值为o 3 3 7 6 n l v f l ，与改进前( 最大等效应力为2 2 3 5m p a ，最大变形值为0 3 2 9 8m m ) 相比 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 图2 - 1 3 改进后工作缸的等效应力 f i g 2 1 3 e q u i v a l e n ts t r e s so f i m p r o v e dc y l i n d e r 图2 - 1 4 改进后工作缸的总变形 f i g 2 1 4 s u m d i s p l a c e m e n to f i m p r o v e dc y l i n d e r 均变化不大，而且位置不变； ( 2 ) 工作缸中部( 缸筒部分) 的应力在改进后无太大变化，但在缸底过渡圆 角处应力明显降低； ( 3 ) 改进后工作缸中部的变形无太大变化，但在缸底圆角过渡处变形明 显降低，而且整体变形变化平稳。 综上所述，改进后的工作缸整体应力、变形分布均匀，缸底圆角处加 工容易，而且缸底处无应力集中现象，所以，该改进方案是合理的，也是 可行的。 1 8 第2 章工作缸结构设计及有限元分析 图2 1 5 工作缸的等效应力曲线 f i g 2 - 1 5e q i i i v a i e n ts t r e s sc u r v eo f c y l i n d e r 一 图2 - 1 6 工作缸的总变形曲线 ，f i g 2 - 1 6 。s u md i s p l a c e m e n tc u l v eo f c y l i n d e r 2 4 4 进油口对工作缸应力和变形的影晌 大多数液压缸进油口开设在缸底位置，由于结构和受力为轴对称，所以 缸体在圆周方向的变形也是均匀的。由于结构的限制，2 0m n 快锻液压机 工作缸的进油1 3 开设在法兰外缘上，充液孔( 直径2 2 5r a m ) 与高压进油孔( 直 径1 1 2 m m ) 成1 3 0 0 夹角。图2 1 7 、图2 1 8 为进油口处的应力、变形云图。 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 图2 - 1 7 工作缸进油口处的等效应力 f i g 2 - 1 7e q u i v a l e n ts t r e s so f c y l i n d e r 图2 - 1 8 工作缸迸油口处的变形 f i g 2 - 1 8 s u m d i s p l a c e m e n to f c y l i n d e r 在工作缸内壁进油口处沿圆周方向( y = 0 9 8 4 ) 选取一系列节点，以 节点与z 轴正方向的夹角0 为横坐标，以节点的等效应力和变形为纵坐标 绘制出工作缸圆周方向的应力、变形曲线如图2 1 9 和图2 2 0 所示。 由以上云图和曲线可知： ( 1 ) 沿圆周方向，工作缸在两个进油1 2 1 附近的等效应力均较小，小于3 0 m p a ，其余部位变化均匀，在7 0m p a 左右； ( 2 ) 沿圆周方向，工作缸的最大变形出现在充液口的对面，充液口处变 形最小，其余部位变化均匀，最大相差不超过o 0 4r n n l 。 由以上分析可知，进油口开设在法兰外缘并没有对工作缸的应力和变 2 0 第2 章工作缸结构设计及有限元分析 形产生太大影响，所以该工作缸进油口开设在法兰外缘上是可行的。 等效应力0 l p a ) 矛 。 i 6 0 - s 。 4 0 f 3 0 z o 1 0 - 1 8 0- 1 2 0- 6 00 6 0 1 2 01 8 0 图2 1 9 工作缸的等效应力曲线 f i g 2 1 9e q u i v a l e n ts t r e s sc u r v eo f c y l i n d e r 变形( m ) ，忑 一 0 3 1 ， j 3 0 5 i沁 | 0 2 9 5 o 2 9 ， 0 2 8 5 0 ( 度) 0 ( 度) 一1 8 01 2 0- 6 006 u1 2 01 8 0 图2 - 2 0t 作缸的变形曲线 f i g 2 2 0 s u m d i s p l a c e m e n tc u r v eo f c y l i n d e r 2 5 本章小结 本章通过大型有限元分析软件a n s y s 对2 0m n 快锻液压机工作缸进 行了三维有限元分析，得出了工作缸在工作状态下的应力、应变和变形分 2 1 燕山大学工学硕士学位论文 布情况，并对缸底支承型式和法兰支承型式进行了比较，通过比较，验证 了该压机采用缸底支承型式是合理的。文章还对工作缸缸底圆角部分进行 了进一步的分析，并提出了合理的改进方案。最后，对工作缸进油口处应 力、变形沿周向的分布情况进行了分析，确认了进油口位置的合理性。 第3 章固定横梁结构设计及有限元分析 第3 章固定横梁结构设计及有限元分析 3 1固定横梁结构设计 3 1 1 液压机横梁结构概述 液压机的横梁外形轮廓尺寸很大，为了节约金属和减轻重量，一般做 成箱形，在安装各种缸、柱塞及立柱的地方做成圆筒形，中间加设筋板， 承载大的地方筋板较密，以提高刚度，降低局部应力。合理的布置筋板， 可以使横梁重量轻，又有足够的强度和均匀的刚度。筋板一般按方格形或 辐射形布置。液压机横梁可以由铸造或焊接而成，以前铸造为多。而随着 板材s l n 技术和焊接技术的不断发展，钢板焊接式横梁也日益增多 在传统的设计方法中，常将液压机横梁简化为简支梁，宽边立柱中心 距作为支点距离，工作缸压力简化为作用在法兰半圆环重心上的两个集中 力，依据材料力学中梁的弯曲理论求解中间接截面的最大弯曲应力。显然， 这样复杂的构件及载荷用简化了的当量梁来表示，其差别是很大的，设计 时不得不将许用应力取的很低o 7 】。 3 1 2 固定横梁结构设计 鹪 量l 擀溉引 黝黝 i 凶 e l 翁 中l ：1 7 5 靴 到 图3 1固定横梁结构简图 f i g 3 一i s t r u c t u r eo f b e a m 燕山大学工学硕士学位论文 2 0m n 快锻液压机为整体框架下拉式压机，固定横梁通过两个支座固 定在地基上。固定横梁上面安装移动工作台，工作台两侧连接有支架( 即工 作台辅座) ，在垂直于工作台方向有横向移砧装置，而且工作缸和回程缸也 都安装在固定横梁上，因此，该压机固定横梁比传统三梁四柱式压机的横 梁在结构和受力方面都要复杂的多。固定横梁初步结构设计如图3 1 所示。 固定横梁为铸造结构，材料选用z g 2 5 m n ，铸造后正火处理，o 它4 9 0 m p a ，0 # _ _ 2 9 5m p a 。其材料性能如表3 1 所示。 表3 - i 材料性能参数 t a b l e3 一lp a r a m e t e ro f m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c 密度弹性模量屈服应力 强度极限 材料名称泊松比 ( k g m 3 ) ( g p a )( m p a )( m p a l z g 2 5 m n7 8 5 02 1 00 32 9 54 9 0 3 2 固定横梁有限元分析 3 2 1 有限元模型的建立 根据上述固定横梁的初步设计方案，并对梁的结构和受力情况作适当 的假设及简化，应用p r o e 建立如图3 2 所示的固定横梁实体模型 图3 - 2 固定横梁的实体模型 f i g 3 - 2 m o d e lo f b e a m 考虑到精度和计算时间的问题，固定横梁采用s o l i d l 8 7 单元。划分 网格时把整体单元尺寸设定为0 1m ，并且在与工作缸缸底接触的面和一些 2 4 第3 章固定横粱结构设计及有限元分析 主要受力面加以