6300kN分体拉杆结构单柱液压机机身设计.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 2 O l 一 0 0 1 8 - 0 4 6 3 0 0 k N分 体 拉 杆 结构 单柱 液 压 机 机 身 设计 夏 卫 明 ， 骆 桂 林 ，嵇 宽 斌 扬力集 团 江 苏 国力锻 压 机床 有 限公 司， 江苏扬州 2 2 5 0 0 9 摘 要 本 文 应用有 限元 方法 ， 设计 了 6 3 0 0 k N分 体拉 杆结构 单柱 液压机 机身 。机 身分 成上 梁 、 立柱和 下梁 三个 独立 的零部 件 ， 采 用拉 杆超 压预 紧组合 在 一起。 通 过计 算得 出在公 称载荷 下机 身体 各部分 应 力和 变形情 况 以及拉杆 所 受拉力 等数据 ， 确 定 了拉 杆 的直径 和适合 的预 紧力 等参 数。 对 比 了整 体 结构 与组合 结构机 身 两 种设 计方 案 ， 新 结构整 机 重量 虽略有增 加 ， 但 刚度 更好 ， 关键 是解 决 了制造 、 起 吊和 运输 方面 的 困难。 关键 词 机械 制造 ； 机身 ； 单柱 液压 机 ； 有 限元 中 图 分 类 号 T G3 1 5 ． 4 文 献 标 识 码 B 1 引言 单柱 式液 压机 大多采 用整 体单 柱式铸 造 或焊 接 结 构机 身 ， 其 上梁设 计有 主缸 安装定 位孔 ， 下 梁 台面 上设 有 “ T” 形 槽 ， 供 固定模具 或其 他工具 。该 结构 的 特 点是 可 以三面接 近工作 区 ， 装卸模 具 和工件 方便 ， 特 别适合 用 于尺寸 较长 的零件 的整 形校 正 。但 最 大 的缺点是 机 身刚度 差 ， 承载后 ， 主缸 中心 线与 下梁 台 面的垂直 度产 生角位 移 ， 导致模 具 间隙偏 于一 侧 ， 影 响 工件质 量 ， 降低模 具 寿命 。 小 吨位 液 压 机一 般 多 采用 整 体式 机 身 结构 ， 大 吨位 的 由于 整体尺 寸较 大 ，单 件重 量很 大 ，不便 加 工 、 起 吊 、 运输 ， 企业 需 配备大 吨位行 车 等设备 ， 给制 造 带来许 多 不便 。 从运 输考 虑 ， 机身尺 寸不 宜设计 过 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 1 - 1 7 作者简介 夏卫明 1 9 8 1 一 ， 男， 硕士， 从事结构强度设计及优化、 液压 机设计等 【 参 考文献 】 [ 1 ] 陆红． 锻 压液压机 的准柔 性化设 计． 锻 压机 械， 2 0 0 2 ， 3 8 6 9 1 0． 大 ， 长 途 运 输公 路 收费 站 车 道 宽 约 4 ． 5 m， 天 桥 高 约 4 ． 2 m， 重 型 平 板 卡 车拖 车 宽度 3 ． 5 m， 这 些 数 据 都 制 约 了大吨位 整体 结构 的机 身结构 的设 计 和制造 。因 此 ， 单 柱式 液压机 主要 限于 6 3 0 0 k N 以下产 品 。为解 决生 产制 造 的困难 ， 特应用 有 限元 方 法 ， 设 计 分体 结 构机 身 。图 1所 示机 身分 成上梁 、立 柱 和下 梁三 部 J m ⋯ ‘ l口 口 L I厂 r 上梁 拉杆 立柱 定位套 下梁 锁紧螺母 图 1 分体拉杆结构单柱液压机机身 [ 2 ] 陆红，周琦． 面 向超低速 “ 蠕进 ” 液压缸 的控制 回路及 设计 ． 锻 压装备与制造技术 ， 2 0 0 4 ， 3 9 5 4 9 5 1 ． 分 ， 三 部分 采用 三根拉 杆和 锁 紧螺 母 连接 。 为 防止机 身体 三大 部件 的窜动 ， 上梁 与立 柱 、 立 柱 与下梁 结合 面使 用定位 套定 位 。 为增 加机 身刚度 ， 拉 杆 中采用液 压预 紧缸进 行超 压预 紧 。 2模 型 说 明 模 型结 构参 照 我公 司设 计 生 产 的 6 3 0 0 k N整 体 式单 柱液 压机 全钢板 焊接 机身 结构 ，主要 参 数与 之 相 同 ， 包括 喉 口深度 、 开 口高度 、 主筋 板尺 寸 、 上梁 和 下横 梁高 度 、 前 后 和左右方 向尺寸等 。 模 型设 计为 分 体 拉杆 结构 ，在 拉杆 部位 增加 支撑 筋 板 。采用 P r o ／ E NGI NE E R4 ． 0建 立 1 ／ 2三 维 实 体 对 称 模 型 ，导 入 ANS YS 1 1 ． 0中进行 单 元 的划 分 和参数 设 置 ，如 图 2 所示 。模 型坐 标系 位于 主油缸 中心 线与 下梁 底平 面 相交 处 ， Z轴垂 直下梁 底平 面 向上 ， XY平 面水平 。 模 型 材料参 数见 表 1 。 图2 分体拉杆结构单柱液压机机身有限元模型 g-1 材料 参数 密度， 1 ／ 2模型重量 材料 弹性模量 泊松比 kg ／ m。 ／ t ／ MP a 下梁 7 8 o o 1 4 ． 7 8 1 3 Q 2 3 5 - A 2 ．0 E 5 O ． 2 7 立柱 7 8 0 0 5 ．8 9 4 8 3 Q2 3 5 - A 2 ．0 E 5 0 - 2 7 上梁 7 8 O H 0 1 2 ． 4 6 1 4 Q 2 3 5 - A 2 ． O E 5 O - 2 7 拉杆 1 O28 5 7 8 0 0 3 ． 1 7 7 0 9 4 5 2 ．0 6 E 5 0 ． 3 拉杆 2 o 2 8 5 7 8 0 0 1 ．5 8 8 5 5 4 5 2 ．0 6 E 5 O _ 3 合计 3 7 ． 9 3设 计计 算 选 用 T ARGE1 7 0目标 单 元 和 C ONT A1 7 4接 触 单元生 成接 触对 ，为 了减小 大 面与小 面 的接触 增加 接触单 元 数量 ，模 型的所有 加 载面 和接触 面预 先 在 P R O／ E的 me c h a n i c a环 境 下进 行 了 分割 处理 ，便 于 选 择 相 关 节 点 。 拉杆 中 的拉 力 与 锁 紧螺 母 的接 触 反 力相 等 ， 在 计算 拉杆 拉力 时 ，选 择上 梁与 拉杆 锁紧螺 母 接触 面 接触 对 单 元 中 的 C ONT A1 7 4单 元 ，通 过 ANS YS的 取值 函数 * GE T命 令 ，得 到各 接触 单元 法 向接 触 压 力 和接触 单元 面积 ，将 各单元 法 向接触 压力 与接 触 单元 面积 相乘 ， 得 到各单元 所受 压力 ， 将所 有 接触单 元接 触压 力求 和 ， 得 到拉 杆拉力 。 采 用 P RE T S 1 7 9单 元在 拉 杆 中建立 预 紧单元 ， S L O AD指 令施 加 预 紧载 荷_ l 2 1 。所有 的计 算过 程均采 用 ANS YS软件 的 AP DL 程序 自动 完成 。 3 ． 1 拉 杆 中不施 加预 紧力 ， 仅加 载工作 载荷 约束 约束 下梁 上平 面所有 自由度 ， 在 对 称面 上 施加 对称 约束 。载荷 在主油 缸 与上梁 接触 面施 加 6 ． 3 E6 ／ 2 N 3 1 5 0 k N 的公称 载荷 。 计算 结 果 上 梁 最 大应 力 1 9 9 MP a ， 发 生 在 锁 紧 螺母 接 触 面 ， 大 部 分 应 力 2 2 MP a ～ 6 6 MP a ； 立 柱 最 大 应 力 1 0 0 MP a ， 发 生在 后 部 与下 梁 接触 线 附 近 ， 大 部 分应 力 2 2 MP a ～ 7 8 MP a ； 下 梁最 大 应力 1 6 9 MP a ， 发 生 在锁 紧 螺母 接触 面 ，大 部分 应力 3 7 MP a ～ 7 5 MP a ； 油 缸 中 tL , 线 与 下 横 梁 底 平 面 交 点 垂 直 方 向 位 移 7 ． 4 7 ram； 拉 杆 1中大 部 应 力 6 0 MP a ～ 8 0 MP a ， 轴 向拉 力 4 2 2 5 2 8 7 N， 最 大 向弯 曲 9 ． 4 mm； 拉 杆 2中大 部 应 力 6 0 MP a ～ 8 0 MP a ， 轴 向拉力 2 0 4 9 3 3 2 N， 最 大 X 向 弯 曲 9 ． 4 mm。 因 此 ， 三 根 拉 杆 轴 向 拉 力 合 计 约 1 2 5 4 0 k N。三大 部件 之 间产生 明显 的间 隙 ， 如 图 3所 示 图 3 不施加预紧力的机身 z向变形 云图 杆 2刚好 位 于对称 中心 线 ， 采用 1 ／ 2模 型 ， 所 以只施 加 1 3 5 0 k N预紧力 。 计算 结 果 上 梁最 大 应 力 1 9 4 MP a ， 发 生在 锁 紧 螺母 接触 面 ， 大部 分应 力 2 6 MP a ～ 6 2 MP a ； 立 柱 最 大 应力 6 7 MP a ， 发 生在后 部与 下梁 接触线 附近 ， 大部 分 应 力 2 9 MP a ～ 5 1 MP a ； 下 梁最 大应 力 1 4 7 MP a ， 发生 在 锁 紧 螺母 接 触 面 ， 大部 分 应 力 2 6 MP a ～ 5 3 MP a ， 油 缸 中心 线与 下横梁 底平 面交 点垂 直 方 向位 移 3 ． 7 3 ram； 拉 杆1中 大 部 应 力 6 0 MP a～ 8 0 MP a ， 轴 向 拉 力 41 7 7 4 0 5 N， 最 大 X 向弯 曲 5 ． 9 8 mm； 拉 杆 2中大部 应 力 6 0 MP a ～ 8 0 MP a ， 轴 向拉力 2 0 2 5 1 7 5 N， 最 大 X 向弯 曲 6 ． 0 2 mm。 因 此 ， 三 根 拉 杆 轴 向 拉 力 合 计 约 1 2 40 0 k N 。 3 ． 3拉 杆 中施 加 预紧力 5 3 0 0 k N和工 作载荷 约束 约束 下梁上 平 面所有 自由度 ， 在 对称 面上 施加 对称 约束 。加载 在 主油缸 与上梁 接触 面施 加 6 ． 3 E 6 ／ 2 N 3 1 5 0 k N 的公称 载荷 。 由前 述 的计算 拉杆 中不 施加 预紧力 可知 ， 单根 拉杆 在公称 载荷 的作 用 下产 生 的轴 向拉力 为 4 2 2 5 2 8 7 N， 欲使 下梁 和立柱 之 间 以及立 柱和 上梁之 问不 产生 间隙 ，拉 杆 中的预 紧 力需 大 于 4 2 2 5 2 8 7 N， 通 常按 1 ． 2 5倍 预 紧 ， 每 根拉 杆 中施 加 的预紧 力为 4 2 2 5 2 8 7 1 ． 2 5 5 2 8 1 6 0 8 N，计 算 中取 预 紧力 为 F o 5 3 0 0 k N， 即 三根拉杆 中一 共施 加 预 紧 5 3 0 0 x 3 1 5 9 0 0 k N， 由于采 用 了 1 ／ 2对称 模 型计 算 ， 所 以拉 杆 1中施 加 预 紧力 5 3 0 0 k N， 拉 杆 2施 加 2 6 5 0 k N 预 紧 力 。 图 4 拉杆 中施加预紧力 5 3 0 0 k N机 身 z向变形云 图 计 算结 果 上梁 最 大应 力 2 3 0 MP a ， 发 生 在 锁 紧 螺 母 接 触 面 ， 大 部 分 应 力 2 2 MP a ～ 7 7 MP a ； 立 柱 最 大 弯 曲 4 ． 71 ram。 因 此 ，三 根 拉 杆 轴 向 拉 力 合 计 约 1 791 0kN。 4结 论 与 分 析 4 ． 1拉杆 中不施 加预 紧力 ， 仅 加 载工作 载荷 ① 没 有 预 紧 力 的 作 用 ， 机 身 变 形 较 大 ， 在 6 3 0 0 k N公称 力 的作 用下 ，拉 杆最 大 弯 曲 9 ． 4 ram， 从 计算 变形 云 图上可 以看 出 ，下 梁和 立柱 结合 面 以及 立 柱和上 梁结 合面 之 间产 生 明显 的间 隙。油 缸 中心 线 与下横 梁底 平面 交点 垂直 方 向位移 7 ． 4 7 mm， 油 缸 中 心 线 与 垂 直 方 向 的 偏 角 为 1 0 ． 3 9 ， 此 时 刚 度 较 差 。 ② 由于 上梁 在 公称 力 和拉 杆 以及立 柱 的约 束 作 用下 ， 形成杠 杆作 用 ， 拉 杆 中产生 的拉 力远 大 于机 床公 称载 荷 ， 经 上述 的计算 。 三 根拉 杆 中拉 紧力之 和 为 1 2 5 4 0 k N， 则 每根 拉 杆 中 的拉 力 4 2 0 0 k N， 取 拉 杆 r ； 一 的工作许用应力为 8 0 M P a ， 则拉杆直径 D ，＼ ／ V 1 T L J 2 5 8 r n m， 计 算 中初取拉 杆 直径 D 2 8 5 mm。 ③ 计 算 到 的拉 杆 应 力 沿 拉 杆 截 面 由左 至右 6 0 MP a ～ 8 0 MP a逐 渐增 大 ， 这 是 由于机 身 在公 称 载荷 的 作 用 下产 生 向 弯 曲 ， 拉 杆 也 随之 发 生 弯 曲 ， 拉 杆 中产生弯 矩 ， 实际情 况也有 这样 的。 ④在 公称力 作用 下 ， 由于没 有预 紧 ， 机 身 三大 件 之 间产生 间 隙 ， 使得 接触 面积减 小 ， 应力 和变 形集 中 在 后 部 ， 上 梁 和 立 柱 产 生 明 显 的 向 弯 曲 。 实 际 设 计 机身 结构 时 ， 应 将三 大件后 部加 强 ， 增 加其 抗 弯 刚 度 。 其 中立 柱最 为 明显 ， 立柱 的大部分 应力集 中在后 半 部分 ， 前端 的应力 基本 为零 。 ⑤上 梁 和下梁 最大应 力 主要发 生在 拉杆 螺母 接 触 面上 ， 分 别 为 1 6 9 MP a和 1 9 9 MP a 。立柱 的 最大 应 力值稍 小 ， 为 1 0 0 MP a 。减 小机 身的 向弯 曲变 形 ， 主要是 增大 了接触 面积 ，增 加预 紧力后 可 以 明显发 现 ， 加强 立 柱 的预 紧 ， 能使 其 应力 分 布 更 均匀 ， 减小 最大应 力集 中。 ⑥ 拉杆 中的最 大应 力较 大 ，是 由于使 用 了简化 结 构 引起 的 ，拉杆 的有 限元模 型没 有模 拟螺 纹 的联 接作 用 ， 只用 了光 杆和 圆柱体 代表 拉杆 和锁 紧螺 母 ， 使计算 中力 封 闭。实 际设计 时应作 螺 纹联 接强 度 的 校 核 。 4 ． 2拉杆 中施 加预 紧力 2 7 0 0 k N和工作 载荷 ① 在有 预 紧力 2 0 7 0 k N x 3 的作用 下 ， 油 缸 中心 线 与下横 梁底 平 面交点垂 直 方 向位 移 3 ． 7 3 mm。 按单 点压力机 的刚度条 件 △ 2 2 ． 5 、 ／ f 计 算 其 中 压 机公 称 力 ， 6 3 0 0 k N单 柱 校 正液 压 机 油 缸 中 心线 与 下 梁 底 平 面 交 点垂 直 方 向允 许 位 移 AU Z 3 ． 5 2 mm， 基本 满 足刚度 条件 。较 前述 的只施 加公 称 载荷 作 用 的 7 ． 4 7 mm， 减小 了 3 ． 7 4 mm， 可 见 在预 紧力 的作 用 下 ， 上 梁 的 刚 度 明 显 提 高 。 ② 由于 此 时每 根 拉 杆 的 预 紧力 2 7 0 0 k N 小 于 立 柱 中 的拉 力 4 2 0 0 k N ， 所 以 ， 下 梁 和 立 柱 结 合 面 以及立 柱和 上梁结 合 面之 间产生 间隙 ，最大 Z向 间 隙 0 ． 3 5 mm。因此 ， 要 消除 间隙 ， 每根拉 杆 中施加 的预 紧 力 必 须 大 于 4 2 0 0 k N。 ③ 在有 预 紧力 和公 称力 的共 同作 用下 ，每 根拉 杆 中 的拉 力 约 4 3 5 0 k N，较 前述 的不 预 紧 情况 下 的 4 2 0 0 k N增 加 不 多 ， 这 是 因为 机 身 之 间 的 间隙 ， 原 来 在 拉杆 预 紧力作用 下 ，机身 被压 缩产 生 的弹性 变形 势 能被 释放 ，拉杆 中的拉力 主要 由公 称力 的反 抗力 矩 产生 ， 拉 杆 中的残余 预 紧力 为零 。 ④ 由于有预 紧力 的作用 ，机 身三 大件 之 间的接 触 面 积增加 ， 立柱 的应 力分 布更加 均匀 ， 最 大应 力集 中 由没 有 预 紧 作 用 下 的 1 0 0 MP a减 小 到 6 6 MP a 。 ⑤ 在这 种载荷 条 件下 ，上梁 和下 梁 的最大 应力 和大部 分应 力基本 与 没有预 紧作 用下 相 当 ，都 是发 生 在 螺 母 接 触 面 。 4 ． 3拉 杆 中施 加预 紧力 5 3 0 0 k N和工 作载 荷 ① 这种 情况 属于 完全预 紧 ，预 紧力大 于工 作 载 荷 产 生 的拉 力 的 2 5 ％， 机 身 三 大件 之 间不 应 该 产 生 间 隙 ， 实 际的计算 也是 这样 的 ， 如 图 4所示 。 ② 在这 种情 况下 ， 上梁 的 刚度应该 增 加 ， 计 算 表 明 ， 此 时 油 缸 中 心 线 与 下 横 梁 底 平 面 交 点 垂 直 方 向 位 移 2 ． 2 0 mm，油 缸 中 心 线 与 垂 直 方 向 的偏 角 为 5 ． 7 ， 刚度 很 好 ， 可 见 ， 预 紧对 提 高 上 梁 刚 度起 到 明 显作 用 。 ③ 在这 种情 况下 ， 拉杆 中的拉力增 大 了 ， 每 根拉 杆 中拉 力 约 为 6 0 0 0 k N，这 时 拉 杆 中 的 应 力 为 8 6 MP a ～ 1 0 2 MP a ， 较 前 面 的 6 0 MP a ～ 8 0 MP a增 加 了 约 2 0 MP a ， 所 以要 考虑增 大拉 杆 的直径 。 ④ 此时上 梁 和下梁 由拉杆 锁 紧螺母 压 紧产生 的 最 大 压应 力 都 增加 了 ， 分 别 为 2 3 5 MP a， 和 2 0 3 MP a， 但 大部分 的应 力分 布变化 很小 。 ⑤ 立柱 的应力 分布 明显 均匀 了 ，前 面 由于 间隙 的产生使 得立 柱 的应力 主要集 中在 后部 分 ，现在 基 本 分布 在整个 立柱 体上 了 ， 最 大应 力 5 0 MP a 。 4 ． 4整体 、 组合 结构 对 比 ①设 计 的机 身结构 满足 刚度强 度条 件 ，整个 机 身 重 7 5 ． 8 t ，较 原整 体焊 接结构 机 身 6 9 t 的重量 增加 幅度不 大 。与原结 构油 缸 中心线 与垂 直方 向 的偏 角 为 6 ． 4 相 比 ， 新设 计方 案 刚度增 加 1 2 ％。 ② 整体式 结 构机身 体 喉 口属 于危 险部位 ，应 力 集 中 比较 大 ， 容 易开 裂 ， 需要 增 加 C型加 强筋 板 ， 以 增 加其 结构 强度 和疲 劳强度 。组合 式 结构公 称 载荷 由拉杆 承载 ， 喉 口部分 最大集 中应 力减 小 ， 无 须 增加 加 强 板 。原 整体 式 结构 ， 上 梁 喉 口在增 加 C型 加强 板 情况 下最 大应 力 1 6 4 MP a ，组 合结 构无加 强板 ， 相 同部位 最 大应力 6 1 MP a ， 强 度 明显优 于前者 。 ③ 解决 了制 造 、 起 吊和 运输方 面 的 困难 。 【 参 考文献 】 f 1 1 夏卫明 ， 郑翔 ， 杨晓俊． 基于 A NS YS的盲孔螺栓联接的有限元 仿 真 机械设计 与制造 ， 2 0 0 9 ， 7 4 2 4 4 ． [ 2 】 夏卫明 ， 嵇 宽斌 ．用接触法模拟盲孔螺栓的联接作用 机械设计 与制造 ， 2 0 1 0 ， 8 2 1 8 2 2 0 ． [ 3 ] J B ／T 9 9 6 4 1 9 9 9闭式压力机 技术条件[ s ] ． [4 ] 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[ M] ． 北方工业出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 5 ] 宋雨芳 ， 吴友坤 ， 荣兆杰 ． 基于有限元基础 的单 柱液压机机 身的 优化设计 『J 1 _锻压装备 与制造技术 ， 2 0 0 5 ， 4 0 5 2 9 3 0 ． [ 6 ] 夏卫明 ， 嵇 宽斌 ．液压摆式 剪板 机主油缸活塞杆侧推力有限元分 析 ． 锻压装备 与制造技术 ， 2 0 0 9 ， 44 5 7 3 7 5 ． St r uc t u r a l d e s i g n o f C-f r a me i n 6 3 0 t o ns hy d r a u l i c pr e s s wi t h s e p ar a t e d ma c h i n e b o d y a n d r o ds s t r uc t ur e XI A W e i mi n g，LUO Gu i l i n，J I Ku a n b i n K e y w o r ds F r a m e；S i ng l e -