四柱式多工位成形液压机结构分析.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 ～ 0 1 2 1 2 0 1 0 0 6 0 0 2 4 0 4 四柱 式 多 工 位 成 形 液 压 机 结构 分 析 范 常 荣 ，胡 明 杰 扬 州 捷 迈 锻 压 机 械 有 限公 司 ， 江 苏扬 州 2 2 5 1 2 7 摘 要 运用 S o l i d Wo r k s软件 对 四柱 式 多工位 成形液 压机 结构进 行 了三维实体 建模 ， 运用 ANS YS软件 对 其在 满公称 力状 态下 ， 偏载 和非偏 载两种 工况 下的强度 和 刚度 进行 了分 析在此 基础上 ， 获得 了结构 的应力 和 变 形 分 析 。 关键 词 机 械制造 ； 结构 ； 液压机 ； 有 限元分析 中 图 分 类 号 T H1 2 3 文 献 标 识 码 B 1引 言 随 着 汽 车 5 1 2 业 的 迅 速 发 展 ，液 压 机 的 需 求 量 增 势 迅 猛 ， 且 品 种 越 来 越 多 ， 自动 化 程 度 越 来 越 高 ， 尤 其是 结构紧凑 机型得 到更 多的需求 。对 于这些 特殊 结构 的液压机 ，虽然 吨位不 大 ，但 结构计算 较 为复 杂 ， 如果采 用传 统 的力 学计 算 ， 不 仅公 式繁 杂 ， 且需 要 大 量 简 化 ，计 算 结 果 往 往 也 只 能 找 出 一 些 理 论 危 险 点 ， 对 于一些应力 集 中的区域很 难准确 确定【 1 - 3 ] 。 为 此 ， 本 文 采 用 有 限元 分 析 方 法 ， 对 公 司 曾 经 生 产 过 的 四 柱 式 多 工 位 成 形 液 压 机 图 1 ， 进 行 了 分 析 ， 分 析其在满 公称力 状态下 ， 偏载 和非偏 载下 的应 力 和变形情况 ，并对 分析过 程 中的简化所 造成 的误 差进行 了说 明。 图 1 四柱式多工位成形液压机 2所 示 ，驱 动 液 压 缸 与 ，前 者 用 于 提 供 液 压 机 于 将 滑 块 复 位 到 上 限 位 总经理 ， 从事锻压设备研发 、 制 图 2 机身主要零部件 1 ． 驱动液压缸2 ． 上横梁3 ． 复 位液压缸4 ． 同步 机构5 ． 滑块6 ．导柱7 ． 下横梁 置 ， 以便进 行后续 的卸料 和送料 工作 ； 同步机 构作 用 是 使 滑块 与上 横梁 在偏载 的条件 下始终 保持 垂直 的 运 动 状态 ， 以减小 滑块 与导 柱 间的作 用 力 ； 上横 梁 、 下 横 梁 与 导 柱 间 通 过 轴 肩 及 螺 母 装 配 为 一 体 。 主 要 技 术 参 数 如 表 1所 示 。 表 1 技 术参数 长， m m 宽， n 1 m 高／ m m 公称力／ k N 滑块行程／ mm 工作速／ m m ／ s 6 2 6 0 1 4 0 0 4 2 3 5 2 0 0 0 3 2 0 2 5 3公 称 力 载 荷 下 的 受 力 和 变 形 分 析 分 析 液 压 机 机 身 在 公 称 力 载 荷 下 、非 偏 载 状 态 下的机身 强度 和刚度 。采用 S o l i d Wo r k s进行 实体建 模 ， 运用 ANS YS软件 进行有 限元分 析 。 3 ． 1前 处 理 1 模 型 简 化 液压 机结构 比较复 杂 ， 若 考虑所 有 因素 的影 响 ， 必将增 加布 尔运算 及 网格 划分难 度 ， 降低计 算效率 。 本 次 分 析 对 模 型 进 行 了适 当简 化 ，简 化 内容 如 下 嗍 ①忽 略一些小 孔及 倒角 的影响 ；②尽 量避免 出现较 1 2 3 4 5 6 7 小 的面 、 线 ， 以降 低 网格 划 分 难度 ； ③ 务必 避 免 面 上 存 在 两 条 相 切 曲 线 ， 该 情 况 下 无 法 进 行 网格 划 分 ； ④ 液 压 机 结 构 前 后 对 称 ， 在 非 偏 载 情 况 下 载 荷 对 称 ， 为 减 小 计 算 量 ， 选 择1 ／ 2结 构 模 型 进 行 分 析 ； ⑤ 导 柱 的 两 端 存 在 装 配 预 紧 力 ， 分 析 中 将 上 梁 、 下 梁 、 导 柱 间 作焊接 处理 ；⑥ 同 步机构 为多 个杆 件组 成 的多 个平 行 四边 形 机 构 图 3 ， 各 运 动 副 间 可 以 自 由转 动 ， 为 减 小 非 线 性 计 算 ， 将 其 焊 接 为 一 体 。 图 3同步机构结构 1 ． 支座2 ． 短杆3 ． 中轴销4 ． 长杆 2 网 格 及 材 料 属 性 选 用 s o l i d 9 5单 元 进 行 自由 网 格 划 分 ， 并 对 载 荷 施 加 面 、 接 触 对 创 建 面 进 行 细 化 ；材 料 弹 性 模 量 取 2 0 6 GP a ， 泊 松 比选 择 0 ． 3 。 对 于 单 元 选 择 ， 笔 者 曾 做 过 一 个 简 单 试 验 ， 并 与 s o l i d 4 5、 s o l i d 9 5、 s o l i d 1 8 5单 元 的 仿 真 比 较 ， 结 果 表 明 对 于 金 属 体 而 言 ， s o l i d 9 5 单 元 的 仿 真 结 果 与 实 际 值 吻 合 最 好 。 3 接 触 对 创 建 本 次 分 析 仅 对 导 柱 与 滑 块 间 进 行 了 接 触 处 理 。 采 用 软 件 自带 的 接 触 向 导 创 建 接 触 对 【 2 1 ， 接 触 对 位 于 滑 块 圆 孑 L 的 两 端 部 ， 以 孔 面 作 为 目标 面 ， 导 柱 面 作 为 接 触 面 。 4 载 荷 及 边 界 条 件 施 加 载 荷 为 施 加 于 滑 块 下 表 面 、下 横 梁 上 表 面 的 均 布 面 载 荷 ，作 用 区 域 大 小 为 滑 块 下 表 面 面 积 的 2 ／ 3； 液压 机 与基础 间没 有地 角螺 栓 固定 ，工作 过 程 中左 右 两 端 存 在 翘 起 现 象 ，故 约 束 施 加 在 下 横 梁 下 表 面 中 t 2 , 处 的 一 个 小 矩 形 面 ， 约 束 该 面 三 个 方 向 的 自 由 度 ； 分 析 模 型 为 1 ／ 2结 构 ， 对 称 面 上 施 加 对 称 约 束 。 具 体 模 型 见 图 4所 示 。 3 ． 2分 析 结 果 图 5 ～ 图 7为 液 压 机 在 非 偏 载 公 称 力 载 荷 作 用 下 的 等 效 应 力 云 图 及 位 移 云 图 。 通 过 图 5可 以 看 出 ， 液 压 机 上 梁 应 力 值 基 本 在 3 0 MP a ～ 4 0 MP a范 围 内 ， 下 梁 应 力 值 基 本 在 2 0 MP a ～ 3 0 MP a ； 在 驱 动 液 压 缸 与 上 横 梁 和 滑 块 作 用 处 、 滑 块 与 导 柱 接 触 处 存 在 应 力 集 中现 象 ， 前 者 由分 析 模 型 构 件 间 的 焊 接 处 理 造 成 ， 实际生 产 中该应 力集 中现象可 能 不存在 ，且应 力值 圈 图 4分 析 模 型 小 于 7 0 MP a ， 因 此 ， 不 需 对 其 进 行 细 致 分 析 ； 后 者 由 于导柱 的变形 引起 ，实 际生产 中该 应力 集 中现 象肯 定 存 在 。 图 6为 该 区 域 应 力 的 剖 视 图 ， 由 图 可 以 看 出 ， 最 大 应 力 值 位 于 滑 块 下 端 接 触 区域 ， 约 1 7 0 MP a 左 右 。 图 7的位 移 云 图 不 能 准 确 的 看 出 上 、 下 梁 的 变 形 情 况 ， 因此 ， 笔 者 在 分 析 模 型 上 创 建 了 3条 路 径 ， 路 径 起 点 在 左 端 ， 终 点 在 右 端 。 通 过 路 径 观 察 上 梁 、 滑 块 、 下 梁 在 竖 直 方 向 的位 移 情 况 ， 路 径 位 置 如 图 8 所 示 。 图 5 应力云 图 O ～ 6 0 MP a 图 6 剖视应力云图 0 ～ 1 7 0 MP a 图 7 位移云 图 路径 1 路径 2 路径 3 图 8 路径创建位置 通 过 图 9 ～ 图 1 1三 条 路 径 曲 线 图 可 知 ， 在 公 称 力 载荷作用 下 ， 三条路径 上节点 在竖直 方 向的最 大 、 最 小 位 移 值 分 别 如 表 2所 示 。 ≠ ～上 一上一一l～ 』～一 ～ 一十 0 ⋯ 斗 一卜 ～0 f ； { j 、 ～ w 『 ⋯ r 一 r～ ～ ■～飞 l } l l l i l I 一 ＼ ， l i { ； _ ⋯ l i 1 对 ‘ i ， ∞ 幅2 ， 1 ． W ‘ “ 2 1 ● 韩 ’ 丑 t ● “ 5 ’ 1 t 位移 图 9 路径 1节点竖直方向位移 O m 1 1 “ 2 H ， 3 l 1 ● m * ，∞ ‘ 位移 图 l 0 路径 2上节点竖直方向位移 L 一上 ．．．． 一 } 寸毒 ⋯ ●一 一 一 十 ⋯ _r 一 ⋯ r r 。。。。 。。一 ， 一 r ⋯ 一 ■⋯ 卜 t 一 L Ⅲ } 0 ～ ⋯ 一 } 一 ～ c , ’ - 一 - i -⋯--誊- - 譬-- - ⋯-- 一 l l i ≥ ， |。 。。 。_ 一 一 j O 1 2 “ } * s 抽 ‘ ‘ 位移 图 1 1 路径 3上节点竖直方 向位移 表 2路 径 节 点 位 移 值 路径 l 路径 2 路径 3 最大位移／ mm 2 - 8 o 9 2 ． 7 4 8 1 ． 1 3 9 最小位移／ r a m 1 ． 3 2 9 2 ．5 1 O - 0 ． 0 2 6 差fi t ／ mm 1 ． 4 8 0 ．2 3 8 1 ． 1 6 5 ． _ 一 ’ 2 6 表 2中的差 值 为最 大位 移 与最 小位 移 之差 ， 该 值 为上横 梁 、 滑块 、 下横 梁 在非 偏 载 、 公 称 力 载荷下 的变形 值 ， 通 过表 2知 ， 上横 梁变形 值 为 1 ． 4 8 ram， 下 横梁变 形值 为 1 ． 1 6 5 mm， 滑块变 形值为 0 ． 2 3 8 mr n 。 本 次分 析过程 中将上 梁 、下 梁 、立 柱焊 接为一 体 ， 没有 考 虑立柱 的预紧 力作用嘲， 因此 ， 表 2中的绝 对 位 移值 与 实际值 相 比存 在 一定 的原始 误差 偏移 ， 但 表 中的差值 为各构 件 的 自身变形 ， 是准 确可信 的。 4偏 载 5 - ／ i 偏载 分析 主要分析 液压机 左 、右 方 向在公称 力 载 荷偏载 下 的应 力和变 形情况 。液压 机 的同步机 构 左 右方 向并 不对 称 ， 因此 ， 本 文分 别进 行 了左 、 右 两 种 偏 载 分 析 ，公 称 力 载 荷 分 别 施 加 于 图 4所 示 模 型 作 区 域 的 左 半 边 和 右 半 边 。 为 了模 拟上 、 下模具 在偏载 状态下 的变形 情况 ， 建 模 过 程 中 ， 在 滑 块 下 表 面 、 下 梁 上 表 面 中心 处 建 立 了一个 很小延 长体 ， 用于模 拟实 际生产 中 的模 具 ， 读 取 上 、 下模具 在偏载求 解后 的位移 变化值 之差 ， 作 为 偏 载力 作用下 模具 间隙变 化值 。 4 ． 1左 偏 载 分 析 结 果 图 1 2 ～ 图 l 4为液压 机在 左偏 载 、 公 称 力载荷 作 用 下的 等效应 力云 图及 位移 云图 。 通过 图 1 2可以看 图 l 2 应力云图 0 7 5 MP a 图 l 4 位移云图 出 ，液 压 机 载 荷 施 加 侧 机 身 应 力 值 较 大 ，最 大 值 在 6 0 MP a以下 ，载荷施 加侧 的驱动液 压 缸 区域 存 在集 中应力 现象 ， 集 中应力 值在 7 5 MP a左 右 。通过 图 1 3 可 以看 出 ，滑 块 与 导 柱 间 的 应 力 集 中 主 要 在 滑 块 下 端接触 处 ，载荷 施加 侧与 非载 荷施 加侧 的最 大 集 中 应 力 值 均 在 2 0 0 MP a左 右 。 按 照 图 8所 描 述 的 路 径 ， 在 图 1 4上 创 建 3条 路 径 ， 3条路 径 上 节 点 在 竖 直方 向 的位 移 曲线 分 别 如 图 1 5 ～ 图 1 7所 示 。 I I ∞ ”dl T 7r ] L 1 一 f ～ 寸 一 瓤 ～ ⋯ 』 ’ 7⋯ 一 { 一 r寸 一 ／ l 一 L 一 L一 L 』 _ ’ _ ～ ～ 0 0 O 1 撕 2 蚋 ，* ， ‘ ● 螗 2 ● ● ● ， 7 蔼 位移 图 l 5 路 径 1 节点竖直方 向位移 l - ∞ “ ， N{ { l } l { l 二 j 士t 妊二 ⋯ 斗 寸十} 十 一一 _ 一 l j { I l { l l O 1 打 { ’ n 僻 ‘ ．‘ 1 ■ ， 坩 ● ●幅 } 1 5 位移 图 l 6 路径 2节点竖直方向位移 一 ； 一 卜 。 ⋯ } 一 ■一 一 一 上 上 0一⋯。 “ 7 } l 土 } { ＼ 0 ／{ ； r _ ＼} ／j } 表 3左偏载路 径 上节 点位 移值 路径 1 路径 2 路径 3 起点位移／ ram 1 ． 8 8 3 3 ．6 8 2 1 ． 6 1 5 终点位移／ ram 0 ． 7 7 6 1 ．4 1 6 0 ． 6 6 2 极值／ ram 3 ． 0 3 - 0 ．0 2 6 梁 的 倾 斜 值 分 别 为 1 ． 1 0 7 r n m、 2 ． 2 6 6 mm、 0 ． 9 5 3 mm。 读 取 图 1 4中 的标 注 点 在 左 右 方 向 的 位 移 值 ， 其 位 移 值 分 别 为 0 ． 1 8 1 mm、 0 ． 0 4 5 4 mm，即在 左 偏 载 力 的作用 下 ， 上 、 下 模具 间 隙值变化 了 0 ． 1 3 6 mm。 4 ． 2右 偏 载 分 析 结 果 右 偏 载 的 应 力 云 图 和 位 移 云 图 与 左 偏 载 基 本 相 似 ，对 应 3条路 径上 节点 在竖直 方 向 的位 移 曲线 如 图 1 8 ～ 图 2 0所 示 。 曲 线 的起 点 、 终 点 、 极 值 点 如 表 4 所 示 。 “ ‘ m ” - q ‘ ‘H J一 ’弭 ■■ 1 蟠 3 ， ● ‘ 2 ， ’ ‘ 位移 图 l 7 路径 3节点竖直方向位 移 通 过 图 1 5 ～图 1 7的 曲 线 可 以 看 出 ， 三 条 路 径 的 瞳 线 并 不 对 称 ， 曲 线 的 左 、 右 端 值 的 差 别 较 大 ， 其 中 图 l 5、 图 1 7中 的 曲线 上 还 存 在极 大值 、 极 小 值 ， 说 明上梁 、 下梁 在偏 载力 的作 用下 发生 了变 形 和倾斜 ， 滑 块 则 主 要 是 发 生 倾 斜 ， 三 条 曲 线 的 端 值 、 极 值 如 表 3所 示 。 以 定 义路径 上 曲线 的起始 点 与终止 点 的差 值 为对 倾 斜 量 应 构 件 在 偏 载 力 作 用 下 的 倾 斜 值 ， 则 上 梁 、 滑 块 、 下 mm、 一 2 O 1m 5 ‘ ． 3 ● 女 l * ‘ u 5 让 1． ● ∞ ’ 2 1 ‘ ‘ * S 位移 图 l 8 路径 1 节点竖直方 向位移 m’‘ 一 ， l O 1 抖 2 ， ‘ ， 娃 S∞ ‘ ‘ 1， 帏 ， 坍 ● ● ，’ 位移 图 l 9 路径 2节点 竖直方 向位移 t 山． ． - ’l 文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 0 0 6 0 0 2 8 0 3 等 温 锻 造 液 压 机 的 四角 调 平控 制 系统 韩 其 义 ， 山东 力 丰 重 型 机 床 有 限公 司 张 英 男 天 津 分 公 司 ， 天 津3 0 0 1 3 4 摘要 介 绍 了等 温锻造 液压机 在 等温锻造 时的一种 四角调 平控 制方 案 ， 通过现 场 等温锻 造验 证 ， 表 明该 设 计方案在 等温锻 造 的四角调平 控制 中是 行之 有效 的。 关键 词 机械 制造 ； 四角调平 ； 等温锻造 ； 液压机 中 图 分 类 号 T G3 1 5 ． 4 文 献 标 识 码 B 1 引言 带 四 角 调 平 系 统 的等 温 锻 造 液 压 机 ，是 我 国发 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 0 7 作者简介 韩其义 1 9 6 1 一 ， 男， 工程师 ， 从事机械设计与 自动化 表 4右偏 载路 径上节 点位 移值 路径 1 路径 2 路径 3 起点位移／ m m 0 ．7 7 8 1 ．4 5 4 0 ． 6 6 4 终点位移， m m 1 ． 8 8 4 3 ．6 0 6 1 ． 6 1 4 极值， m m 3 ．0 0 8 - 0 ． 0 2 6 右 偏 载 状 态 下 ， 读 取 图 1 4中标 注 点 左 右 方 向 的 位移 值分别 为一 0 ． 1 3 3 mm、 一 0 ． 0 4 6 mm，即在右偏 载力 的作 用 下 ， 上 、 下 模 具 间 隙值 变 化 了 0 ． 0 8 7 mm。 5结 论 通 过 有 限 元 分 析 方 法 ，获 得 了结 构 在 公 称 力 载 荷 状 态 下 的应 力 和 位 移 云 图 ，进 而 得 出 结 构 的 应 力 集 中情 况 及 变 形 情 况 。 非 偏 载 公 称 力 载 荷 作 用 下 ，液 压 机 机 身 应 力 在 3 0 MP a ～ 4 0 MP a范 围 内 ， 滑 块 与 导 柱 接 触 处 的 最 大 集 中 应 力 值 在 1 7 0 MP a左 右 。 上 横 梁 、 下 横 梁 、 滑 块 的 变形 值分别 为 1 ． 4 8 mm、 1 ． 1 6 5 mm、 0 ． 2 3 8 mm。 展 新 型航空 航 天高 新 技术 工程 中所需 的重 大设 备 ， 主 要 适 用 于航 空 高 强 度 材 料 等 温超 塑 性 成 形新 工 艺 。因被锻 材料塑 性差 ， 变 形抗力 大 ， 变 形速率 要求 严格 ， 锻 造 丁艺 复杂 ， 因此 ， 液压 机 的设 计 制造都 应 偏 载 状 态 下 ， 机 身 应 力值 在 6 0 MP a以下 ； 滑 块 与导柱 接触 区域 最 大应力 值在 2 0 0 MP a左右 。左偏 载力 作用 下 模 具 间 隙值 变化 了 0 ． 1 3 6 mm，上梁 、 滑 块 、 下 梁 的 倾 斜 值 分 别 变 化 了 1 ． 1 0 7 mm、 2 ． 2 6 6 mm、 0 ． 9 5 3 mm。 右 偏 载 力 作 用 下 模 具 间 隙 值 变 化 了 0 ． 0 8 7 mm， 倾 斜 值 分 别 为 一 1 ． 1 0 6 ram、 一 2 ． 1 5 2 ram、 -0． 95mm 。 【 参 考文献 】 [ 1 ] 中国机械 工程 学会塑性工程学会 【 M】 ． 锻压手 册． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 7 1 0 ． [ 2 ] 刘相新 ， 盂宪颐．A N S Y S 基础与应用教程【 M 】 ． 北京 科学出版社， 2 o 0 6 ． [ 3 】 王尚斌， 孙宇， 张庆飞． 5 0 0 0 k N机械压力机机身有限元分析 ． 锻压技术 ， 2 0 0 9 ， 1 l 1 9 1 2 3 ． 【 4 】 李月仙 ， 元秀梅． 基 于 A N S YS的注塑机前 模板有限元分析册． 机 械工程及 自动化 ， 2 0 0 8 ， 2 7 0 7 1 ． [ 5 ] 王春寒． 在 A N S Y S软件 中高强度预 紧力的施加方 法【 J ] ． 四川建 筑 ， 2 0 0 6 ． 2 1 4 0 1 4 1 ．