3000kN板材充液成形液压机可靠性分析.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 01 2 1 2 0 1 1 0 6 0 0 1 9 0 3 3 0 0 0 k N 板 材 充 液成 形 液压 机 可 靠 性分 析 何 景 晖 佛 山市康 思达液 压机 械有 限公 司， 广 东佛 山 5 2 8 0 0 0 摘 要 对 3 0 0 0 k N板材 充 液成 形 液压 机进 行 了有 限元分 析 。通过 模 拟 ， 分 别 对 主机及 超 高压 液 室施加 满 负 载 ， 以获得 机器 在 满 负载工 作条 件 下 的可靠 性数据 ， 为产 品 的后续开 发提 供依 据 。 关键 词 机械 制 造 ； 可靠 性 ； 板 材充 液成 形 ； 压液 机 ； 有 限元 中图分 类号 TG3 1 5 ． 4 文献标 识码 B 1引 言 我公 司 近期 开 发 了一 3 0 0 0 k N板 材 充 液成 形 液 压 机 ， 其超 高压 液 室最 高工 作压 力 为 1 5 0 MP a 。根据 开 发需 要 ， 要求 对设 备 进行 可靠 性分 析 ， 以确 定 在超 高 压 成形条 件 下 主机 主要零 部件 均 能可靠 工 作 。虽 然 ， 文献 [ 1 ] [ 2 ] 根据 “ 材料 力 学 ” 提 出了传 统 液 压机 主 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 7 1 5 作者简介 何景晖 1 9 7 7 一 ， 男， 研发中心副主任， 从事重型及新型液 压机械研发设计 机有 关强度 计算 公式 ， 由于简 化计算 ， 只能 简单地 将 机 架 的上梁 和 工作 台简 化成简 支梁 ，危 险点 在 中间 截 面 上 ， 计 算结 果 比较粗 糙 ， 不 能合 理反 映整 体应 力 分 布情 况 。这 里要求 对整 机在 满 负载条 件下 进行 强 度 分 析 ，同时 ，由于超 高压液 室 内壁要 求 承受最 高 1 5 0 MP a工作 介 质 的作用 ，还 受 到压 边 缸 的压 边 作 用 ， 因此 ， 又需要 对其 单 独进行 强度 分析 。在 进行 整 体 受 载分析 时 ，会 遇到 主要零 部件 间接 触变 形 的情 况 ， 应 用传 统工 程计算 方 法 ， 不 能充 分反 映零 部件 应 力 应 变状态 ， 不 易找 到应 力集 中点 。 文献 【 3 ] 提 出了单 k ． - 1 S HP 2 7 2 0 0型伺服 驱 动液 压机 参数 序号 项目 单位 数值 l 公 称力 k N 2 0 0 O 2 左右 mm 1 6 0 0 工作台尺寸 3 1 4 0 o 4 开 口 9 0 0 5 行 程 5 0 o 6 快降 ra m ／ s 4 5 0 7 工作 1 m m] s 5 0 滑块 8 工作 2 m m／ s 2 5 速度 9 回程 m m／ s 5 0 o 1 0 频 次 Umi n 1 5 1 1 压力精度 k N 3 0 1 2 位置精度 m m O ． 1 5结 束 语 伺服 驱动 液压 机具 有很 多优 点 ，可 以代替 大多 数传 统液 压机 和部 分机 械压 力机 ，其使 用 成本 只有 传统 液 压 机 的 5 0 ％左 右 ， 是 传统 液 压 机更 新 换代 的 新一 代产 品 ， 市场前 景 看好 。 【 参考 文献 】 【 1 ] 孙友松， 何寄平， 方雅， 等． 交流伺服驱动与成形装备节能[J 1 ． 锻 压装备与制造技术 ， 2 0 0 9 ， 4 4 5 3 1 3 6 ． [ 2 ] 苏文海， 姜继海， 邓攀． 直驱式电液伺服闭式回路的噪声分析 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 1 0 3 4 3 8 ． [ 3 ] 张贵成， 符起贤， 黄尧坤． 数控伺服压力机的特点及其研究[ J 1 ． 机 电工程技术 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 1 1 0 4 1 0 7 ． Br i e f i n t r o d uc t i o n o f s e r v o -d r i v e n hy d r a u l i c pr e s s L I Gu i s h a n He f e i Me t a l f o r mi n g Ma c h i n e T o 0 l C 0 ． ， L t d ． ，He f e i 2 3 0 6 0 1 ， An h u i C h i n a Abs t r a c t Th e p r i n c i pl e o f h y dr a u l i c s t r u c t ur e f o r s e r v o hy d r a u l i c p r e s s h a s b e e n i n t r o d u c e d i n t he Co mp a r i ng wi t h t he c o mmo n h y d r a u l i c pr e s s ，t h e s e r v o h y dr a u l i c pr e s s h a s l o t s o f a d v a n t a g e s， wh i c h ma k p o s s i b l e t o t a ke p l a c e o f t h e ma n y c o mm o n hy d r a u l i c p r e s s e s ．I t s ho ws a b r o a d ma r ki ng p r o s p e c t ． K e y w o r d s S e r v o h y dr a u l i c pr e s s ；S t ru c t u r e f e a t ur e；S e r v o m o t o r 层 厚 壁筒 体 在 内压 作 用下 的强 度 理论 计算 方 法 ， 但 在 受 多 向外 力 作 用 条 件 下 的理 论 分 析 则 相 对 较 欠 缺 。而该液 室正 是工作 在径 向与轴 向 同时受作 用 的 条 件下 ， 因此 ， 传 统单层 厚壁 简体 的强 度理 论计 算也 不 能充 分反 映液 室 的实际2 1 1 况 。有 限元法 及相 关应 用 软件 的 出现 ，为分 析计算 类似 的工 程 问题提 供 了 较 为精 确有 效 的手段 ， 分析 结果直 观 ， 便于 作进 一 步 分 析 。 对此 ， 本 文将 采用相 应 的有 限元 软件 分别 对整 机 及超 高压 液室进 行分 析 。 2机 器 结 构 与 有 限 元 模 型 液 压机 主机 主要 由上梁 、 工作 台、 立柱 、 主缸 体 、 活 塞杆 、 压边 缸活 塞 、 液 室等 组成 。各 主要 部件 间通 过 刚性 联 接 并在 工 作 介质 的作用 下 产 生相 互 作 用 ， ， 在 分 析 时 可 将 压 力 代 替 工 作 介 质 作 用 在 相 应 零 件 上 ， 其余 零件 间 的相互 作用 由接触 条件 产生 。主要 部 件用材 的相 关性 能参 数见 表 1 。 表 1主要部 件 用材及 力 学性 能 弹性模量 泊松 屈服强度 安全系 许用应力 名称 材料 E f I， P a 比 tr l P a 数 n ] ， MP a 上梁厂 F梁 Q 2 3 5 2 0 1 0 - 3 2 3 5 1 ． 5 1 5 7 立柱／ 压边缸活塞 4 5 2 0 1 0 ．3 3 3 5 1 ． 5 2 3 7 主缸体 、 Q T 4 5 0 1 5 0 3 1 0 2 1 5 5 超高压液室 4 O C r 2 o 6 0 - 3 5 4 0 2 2 7 0 液压 机 主机 实 体外 形结 构 如 图 1 。考虑 到 载荷 的对称 性 ， 结 构设 计 的对 称性 ， 故 模 型 可 以取 其 1 ／ 4 进 行分 析 ， 并 不会 影 响实际 应力分 布l 5 】 。网格 划 分采 用 四节点 四面体实 体单 元 ， 共 划分 有节 点 2 2 9 2 5个 ， 单元 1 3 4 5 1个 ， 见 图 2所 示 。 图 2 主机网格划分 图 元模 型 超 高压 液室单 独进 行强 度 分析 。 图3 超高压液室结构示意图 该 液 室 主 体 为 单 层 厚 壁 简 体 结 构 ， 选 用 材 料 4 0 C r ， 实 体结 构如 图 3所 示 。 考虑 到 其结 构 比较简 单 ， 可将 其简 化 为平面 轴对 称实 体 ， 以方 便进 行分 析问 。 网格划 分采 用 四节 点 平 面 轴 对 称 实 体 单元 ， 如 图 4 所示 。 图4 超高压液室网格划分图 4边 界 条 件 设 定 对 于整机 强度 分析 ，主缸 及压 边缸 均采 用 活塞 式 结构 ， 工作 时 ， 缸 内及 液 室 内均作 用有 压 力 油 ， 均 匀 分布 于缸体 内壁 、 活塞 上表 面及 液室 内壁 。 这 里主 要 考 虑 主机 的轴 向受 载情 况 ， 因此 ， 根 据设 计 要 求 ， 在 主缸 施 加压 力 载荷 2 3 ． 5 MP a ，在压 边缸 活塞 上施 加 压 力 载 荷 2 5 MP a ， 在 液 室 内 施 加 压 力 载 荷 1 5 0 MP a 。考 虑 到 主机 的工 作 状 况及 其 结构 的对 称 性 ， 在 其结构 对称 面上 的节点 处施 加对 称约 束条 件 ， 并 在其 轴线位 置施 加一 竖直 方 向约束条 件 。 同时把 主缸4* ／ 上梁 、压 边缸 活 塞／ 超 高压 液室 以及 液 室／ 工 作 台接 触面定 义 为无穿 透接触 。 对 超高压 液 室强度 分析 ，将该 液 室简 化为平 面 轴 对称 实体结 构 ，分析 时在其 左侧 施加 水 平约 束条 件 ，在 其 右 侧 对 应 压 边 圈 的 位 置 施 加 压 力 载 荷 I O MP a ， 在 其 内壁施 加压力 载荷 1 5 0 MP a 。 5有 限元计 算 主 机在 最大 工作 载荷 时 的 当量 Vo n Mi s e s 应 力 o r 以及 轴 向最 大主应力 分 布如 图 5和图 6所示 。 根 据计算 的结 果可 以发 现 ，各主要 零 件最 大 当 量 Vo n Mi s e s应 力基本 上 都在 主机 对称 界 面 危 险 截 面 上 ； 机 架 最 大 当量 Vo n Mi s e s应 力 1 5 7 MP a出 现在上 梁左 右对 称截 面的下 底面 ，与 主缸 体法 兰连 接 的 位 置 ； 主 缸 体 的 最 大 当 量 Vo n Mi s e s应 力 篓 图 5 当量 V o n M i s e s 应力分布图 图6 x 向最大主应力分布图 8 8 MP a位 于缸 底 ；主 机最 大 当量 Vo n Mi s e s应 力 位 于超 高压 液 室 的 内壁 ， 达 到 2 7 0 MP a 。通过 比较 各 材 料 的力学 性 能 ，可 以发现 主机 各 主要 零件 的应 力 均 在材 料许 用 应力 范 围 内 ，其 中上梁 与 超高 压液 室 刚 好 达到 材料 许 用应 力 值 。考 虑 到 当量 Vo n Mi s e s应 力 为合成 应 力 ，所 以对 以上两 零件 危 险部 位还 需 要 结合 最 大 主应力 进行 分析 。上 梁危 险 部位 主要 受 力 为压 应力 1 7 5 MP a， 没有达 到 使其 产生 塑性 变形 的范 围 ， 而且 应力 区域 不 大 ， 仅 限 于与 主缸 体法 兰连 接 的 一 小 部 分 ， 因此 ， 虽 然 该部 位 的 当量 Vo n Mi s e s应 力 刚好 达 到 材 料 许 用应 力 值 ， 其 安 全 系 数 为 1 ． 5， 认 为 安全 。 超 高压 液室 ， 最 大主应 力 分布 如 图 7所 示 。 ⋯ ● ■ 图 7 超高压液室最大主应力分布图 可 以看 出 ， 在 1 5 0 MP a内压及 压 边 缸作 用 下 ， 其 主要 应力 均 为拉 应力 ， 内壁 最大 主拉 应力 为 1 7 5 MP a ， 外壁 则为 3 5 MP a 。 虽 然 内壁 的主拉应 力较 高 ， 但 影 响 区域 不大 ， 在径 向距离 内壁 2 8 mm的材 料 内部 ， 应力 值 已下 降为 1 1 0 MP a左右 。 结合 材料 的许用 应力 [ 】 ， 若液 室 内壁产 生微 量塑 性变 形 ，会 对 液室 内壁 产生 自增 强效 果 ， 会 加 强材料 局部 强度 【 3 l ， 因此 ， 可 以判定 该超 高压 液 室在这 样 的工作 条件 下安 全 。 通过 上述 分析 可 知 ，主机部 分除 了机 架上 梁安 全 系数在 1 ． 5 ， 其余 各零 件安 全 系数均 高 于 1 ． 5 ， 达 到 2以上 ， 由此 ， 判定 液 压机 在 满负 载 的条 件下 可 以安 全工 作 。 6结 论 根据 以上 的模 拟分 析及 结果 ， 可得 出以下结论 1 应 用 有 限元 软 件 可 以对 类 似液 压 机 作 整 机 受 载分析 ， 并 可 以对其 实 际工作 条件作 有效 模 拟 ， 从 而 为机器 的设 计 开发 提供数 据指 导 ，大 大缩短 了开 发 的 周 期 与 成 本 。 2 虽 然 机架 上 梁 局 部及 超 高 压液 室 内壁 当量 Vo n Mi s e s应力 达 到各 自材 料 的许 用应 力 值[ ] ， 但 通 过对其 主应力作 进 一步分 析 ，可判 定其 工作 条 件 安 全 。 3 通 过分析 ， 主机各 主要零 件在 满 负载 的工 作 条 件下 ， 除机架 上梁 局 部 安全 系 数为 1 ． 5外 ， 其 余 部 分 安全 系数 均达 到 2以上 。 由此可判 定 主机在 满 负 载 条件 下工 作可靠 。 【 参 考文 献 】 帅长红． 液压机设计 、 制 造新工艺新技术及质量检验标准规范实 务全书． 北方工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 天津锻压 机床厂．中小型液压机设计计算．天津人 民出版社 ， 1 9 7 7 ． 邵国华 ， 魏兆灿， 等．超高压容器． 化学工业出版社， 2 0 0 2 ． 韩小明， 张雷， 张连洪． 新型缸动式液压机整机有限元分析． 锻 压装备与制造技术 ， 2 0 0 7 ， 4 2 1 l 2 1 4 ． 林道盛， 等． 锻压机械及其有限元计算【 M 】 ．北京工业大学出版社， 1 9 9 8 ． 陈火红 ， 于军泉 ， 席源 山． MS C．MAR C ／ ME N T A T 2 0 0 3基础与应用 实例． 科学出版社 ， 2 0 0 4 ． An a l y s i s o f r e l i a b i l i t y f o r 3 0 0 0 k N s h e e t h y d r o f o r mi n g ma c h i n e HE J i ng hu i F o s h a n C o n s t a n t Hy d r a u l i c Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ， F o s h a n 5 2 8 0 0 0， Gu a n g d o n g C h i n a Abs t r a c t A f i n i t e e l e m e nt a n a l y s i s f o r t h e 3 0 00 k N s h e e t h y d r o f o r m i ng m a c h i ne h a s b e e n c o n d u c t e d i n t h e Thr o u g h s i mul a t i o n，t h e r e l i a b l e d a t a h a v e be e n a c hi e v e d b y s i mu l a t i n g t he ma i n f r a me a nd s u pe r h i g h pr e s hy dr o c ha m b e r u nd e r f u l l l o a d c o n di t i o n s，wh i c h pr o v i de s r e f e r e n c e t o t h e n e x t -s t e p de v e l o pme n t ． K e y w o r ds Re l i a b i l i t y；Sh e e t h y d r o f o r m i n g；P r e s s ；Fi n i t e e l e me n t p