液压铆接机弓臂结构有限元分析.pdf

2 0 1 1年 1月 第 3 9卷 第 2 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS J a n ． 2 01 l Vo 1 ． 39 No． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 2 ． 0 2 5 液压铆接机 弓臂结构有限元分析 丁锋 ，董琳 ，张磊 西安工业大学机 电学院，陕西西安 7 1 0 0 3 2 摘要 介绍 了液压铆 接机铆钳的主要结构 ，分析铆 钳装置的 弓臂在最 大载荷作 用时 的受 力情况 ，用 平面有 限元法对 弓 臂进行有限元网格划分，并进行有限元模型应力分析，分析结果为合理地进行弓臂结构设计提供了参考。 关键词 液压铆接机 ；弓臂 ；有限单元法 ；强度 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 20 8 3 2 Fi n i t e El e m e nt Ana l y s i s o f St r uc t u r e o f Hyd r a ul i c Ri v e t i ng Ar c he d Ar m DI NG Fe n g． DONG Li n． ZHANG Le i S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，X i ’ a n T e c h n o l o g i c al U ni v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 3 2 ，C h i n a Ab s t r a c tThe ma i n s t r uc t ur e o f t he hy d r a u l i c riv e t i n g c l a mp wa s i n t r o d u ce d． Th e f o r c e f r o m a r c h e d a i n l o f riv e t i n g c l a mp de v i c e wa s a n a l y z e d o n t h e c o n d i t i o n o f e x e r t i n g ma x i mu m l o a d ． F i n i t e e l e me n t g rid o f a r c h e d a r l n wa s p a fl i t i o n e d b y fi n i t e e l e me n t me t h o d， a n d s t r e s s a n aly s i s o f f i n i t e e l e me n t mo d e l wa s i mp l e me n t e d ． T h e a n a l y s i s r e s u l t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r d e s i g n i n g t h e s t r u c t u r e o f arc h e d a nn r e a s o n a b l y ． Ke ywo r ds Hy d r a u l i c riv e t e r；Ar c h e d a lT O；Fi n i t e e l e me n t me t ho d；St r e n g t h 液压铆 接机是一种新颖 的铆接机械设备 ，铆接力 大 ，工效 高 、噪声低 、振动 小 ，铆接 作业 安全 可靠 。 可适用 于汽车 、桥梁 、船舶 、机械和建筑行业 的铆接 作业 ，是传统 的气压铆 接机的更新产 品 ，在汽 车大梁 的铆接流水线上 已得到了广泛应用 ⋯。铆钳装 置中的 弓臂作为液压铆 接机重要的功能零件 ，对其进行结构 分析与设计极 为重要 。作者根据铆接机 弓臂在最 大载 荷作用时 的受力 情况 ，用平面有限元法对弯臂进行强 度分析 ，为合理 、安全地进行 弓臂结构设计提供技术 支持 。 1 液压铆接机铆钳装置的设计 该铆 接 机 的 最 大 铆 接 力 为 3 1 5 k N，可 冷 铆 1 3 m l n和热铆 4 2 0 m m及以下的钢质铆钉，铆钉材 料为 1 6 Mn ，液压 系统最 高压力 3 1 ． 5 MP a ，铆接 速度 为 1 5～ 2 0／ m i n 。 图 1 铆钳装置结构 图 铆接机 铆钳装 置主要 由弓臂和动力液压缸装配在 一 起 ，其结 构如图 1 所示 。在设计铆钳 弓臂 时 ，通过 有 限元分析 软件对 铆接 弓臂进行分析 ，使其性能最优 化 ，材料最少化 ，这样就 节省了材料 ，并且减 小了 占 用空 问。 在 动力 液压缸 设计 中，将一般采用的缸筒两端端 盖密封结构 改为高压油腔做成整体密封式 ，低压油腔 采用端盖结构 ，从根本上 解决泄漏 ，防止高压油冲击 产生 的事故 。铆接 油缸铆 接时活塞行程仅为油缸长度 的一部分 ，故不必设计缓冲装置。在缸筒上端 ，设计 了便 于操作 的手柄 ，手柄 中空部 位安装 控制铆 接的电 磁 阀控制按钮 ，便 于进行 自动控 制。 2 弓臂的结构设计与有限元分析 2 ． 1 弓臂结构分析 图 2为铆接机 弓臂 的结构示 意图 ，由于要将其 与 主机联接 ，所 以在一侧钻 有大径 为 2 0 m m的螺纹孔 ， 以便铆接 机 弓臂 与 主机 联接 。在 另 一侧 钻 有直 径 为 5 0 m m的孔 ，这是将动力缸与铆接机 弓臂装配在一起 的孔 ，在该孔 的对 面 钻有 直径 为 1 0 m m深 为 2 0 m m 的孑 L ，该孔是装配下铆接模 的孑 L 。铆接机 弓臂 在工作 时 ，其两侧受到一对大小相等 、方 向相反并且共线 的 载荷 。该载荷时有时无 ，对弯臂形成脉 冲式作用 。由 于可能产生 的最大载荷 为 3 1 5 k N，从 安全 角度考 虑 ， 将该载荷作为计算 载荷 。因弓臂有一纵 向对称 面 ，而 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 1 9 作者简介 丁锋 1 9 6 8 一 ，男 ，博士生 ，副教授 ，主要 研究方 向为设 备状态监测 与可靠性工程 。电话 1 3 6 0 9 1 5 0 3 4 6， E mai l dd _f e n g s i n a ． e o m 。 8 4 机床与液压 第 3 9卷 且载荷也作用在这一对称面 内，可认 为弓臂 主要产生 平面应力与位移 ，因此把 弓臂强度分析简化为平面应 力 问题来处理。铆接机 弓臂的结构尺寸如 图 2 所示 。 图2 铆钳弓臂结构图 2 ． 2 有限元计算模型分析 从 图 2可看出 ，尽管弯臂 两侧结构 不完全 对称 ， 但作用 的载荷是完全对称 的。在对结构进行有 限元计 算 时 ，取较危险的左侧部分 ，近似地作为对称问题来 处理是可行的 。这样处理 ，使得 有限元计算大为简 化 。利用对称性 ，选择如图 2所示 的结构作 为有 限元 计算模型 ，按 自由网格划分 ，有 限元计算 网格图如图 3所示 图 3 有 限元 网格划分 图 4 有 限单元法 的计算模 型 在 对称面上 ，由于没有位移与转动 ，不考虑刚体 位移 ，可认为对称 面为一 固定端 ，在有 限元计算 时 ， 对其施加 全约 束 。在施 加 载荷 时考虑 到实 际受 力情 况 ，对 弓臂施 加大小 为 3 1 5 k N的点载荷 ，其 分析模 型如图 4所示。 2 ． 3 结果分析 经有限元模 型 分析 ，确 定 出 弓臂 的最 大主应 力 ⋯ 5 4 0 ． 4 MP a ，该 弓臂材料为 4 0 C r ，弹性模量 E 2 0 6 G P a ，材料 的屈服极限 7 8 5 MP a ，若取安全系 数 N 1 ． 4 ，则 [ ] ／ Ⅳ 5 6 0 ． 7 M P a ，也能保 证 ⋯ [ ] ，从 而排除 了材料发生屈服破坏的可能性 。 最大应力 发 生 在 图 5 所示 的点 ，主要 原 因是截 面变 化 引 起 了应 力 集 中。 为减缓应力集 中，在 设计 时应尽量将过 渡 圆弧 的半 径增大 ． 其 次 ，该 弓臂 经 过锻打成型 ，在精 加工 毛 胚时 ，应使这 部分 的过 渡 圆弧尽量 与原毛胚 的 圆弧 一 致 ，以免破 坏材料 的纤 维结 构 而 降 低 弯 臂 的 强 度 图 5 应力分布图 点 3结论 通过对液压铆接机 弓臂 的结构 进行设 计和分析 ， 采用平面有限元 法合理地进行 网格划分 ，在施加载荷 和约束下计算 弓臂 的应力 ，对于保证弓臂的结构设计 的合理性和安全性具有积极意义 ，该 分析方法对于其 它结构的设计分析研究也具有参考价值。 参考文献 【 1 】张利平． 现代液压技术应用 2 2 0例[ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 2 】王泉中， 乐小华． 铆接机弯臂的静强度分析 [ J ] ． 南京林 业大学学报 ， 1 9 9 5 ， 1 9 1 8 58 8 ． 上接 第 1 0 3页 【 2 】陈霞， 吴春旺． 智能数据采集器的设计[ J ] ． 计量技术， 2 0 0 8 1 4 4 4 6 ． 【 3 】吴胜昔， 路东晰， 赵霞． 基于嵌入式 T C P ／ I P协议的数据 采集器 [ J ] ． 微 型电脑应用 ， 2 0 0 6 1 2 1 2 4 ． 【 4 】刘立群， 孙志毅 ， 金坤善． 基于 MS P 4 3 0单片机 的超低 功耗数据采集 器设计 f J ] ． 自动化仪 表 ， 2 0 0 5 4 3 4 3 6． 【 5 】冯丽慧， 陈爱国， 张磊． 一种基于内嵌 T C P ／ I P的抄表器 的设计[ J ] ． 现代电子技 术 ， 2 0 0 8 1 4 3 3 3 4 ． 【 6 】朱兆优． R S - 4 8 5总线在远程 自动抄表系统中的应用 [ J ] ． 华东理工学院报 ， 2 0 0 5 ， 2 8 2 3 5 3 8 ． 【 7 】李汗彪， 吴允半， 苏伟达， 等． 一种低功耗以太网数据采 集器的设计与实 现 [ J ] ． 微计 算机应 用 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 1 43 4 7． 【 8 】赵建， 陈兆骅． 智能小区四表采集仪设计 [ J ] ． 科技信 息 ， 2 0 0 8 1 0 3 8 3 9 ． 【 9 】李广地 ， 朱月秀， 冷祖祁． 单片机基础[ M] ． 北京 北京航 空航天大学 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 1 0 】吴勇军， 陈庆光， 张永建． 一个单片机串行数据采集串 行数 据传输模块 的设计 [ J ] ． 山东科技大 学学报 自然 科学版 ， 2 0 0 0 ， 1 9 4 6 0 6 2 ． 【 1 1 】陈树广， 武君胜． R S 4 8 5总线在智能抄表系统中的应用 研究[ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 8 ， 2 4 5 1 2 4 2 6 ．