80MN双柱斜置式快锻液压机机架有限元分析.pdf

文章 编 号 1 6 7 2 01 2 1 2 0 1 2 o 4 0 0 1 6 0 3 8 0 M N 双 柱 斜 置 式 快 锻 液 压 机 机 架 有 限 元 分 析 刘兴 ，李 永 堂 ，闫 红 红 ，李晓 - 。张 亦 工 1 ． 太 原 科 技 大 学 ， 山西太 原0 3 0 0 2 4 2 ． 太 原 重型机械 集 团有 限公 司 技术 中心 ， 山西太原 0 3 0 0 2 4 摘 要 利 用 P r o ／ E软件 建 立 了 8 0 MN双柱 斜 置 式 快锻 液 压 机机 架 的三 维全接 触 实体 模 型 ， 以 ANS YS软 件 作为 有 限元分 析工具 ， 先 对机 架施加 预应 力 ， 再 施加 极 限工 作载荷 ， 得 到主 要部件 应力 和位 移分布 图， 并 对 结果进 行分 析 。根据分 析 结果， 对 下横梁进 行 了结构 优化 ， 为液 压机 设计提 供 一定 参考 。 关键 词 机床 技术 ； 液压 机 ； 机 架 ； 有 限元分析 ； 结构 优化 中 图 分 类 号 T G3 1 5 ． 4 文 献 标 识 码 A 1前 言 大 型 自由锻造 液压 机 已成为一 个 国家 大型装 备 制 造能 力 的重要标 志 。 国外 发达 国家对 液压 机 的设 计 积 累了 丰富经 验 ，充 分运 用现 代科 学技 术进行 液 压 机 的优化设 计 ， 其结 构合 理 ， 机 构尺 寸轻 巧 。在我 国 ， 由于设计 方法 落后 ， 国内厂商难 以同发 达 国家在 激烈 的市场上 竞争 。 传 统 的锻造 压机 的主导 机型 一直是 三 梁 四柱式 结 构 。而斜 置式 双柱结 构 由于其 开 阔的操作 空 间和 广 泛 的工艺 适应 性越来 越受 到青 睐 。 而且 ， 预应 力机 架 结构 已经 在锻 造压机 上得 到采 用 。太原 重工 开发 了 8 0 MN双柱 斜置 式快 锻液 压机 ，使 我 国锻造 压机 的整体 结构 、 传 动方 式和控 制技 术发 生 了根本 变化 。 本 文对 此 液压机 的双柱斜 置式 预应力 机架 结 构进行 了有 限元 分析 ， 为液 压机 的设计 提供 参考 。 2机 架 有 限 元 分 析 2 ． 1模 型 的 建 立 双 柱斜 置式 预应力 机架 由上横 梁 、立柱 、下横 梁 、 拉杆 、 预 紧螺母 、 液压 缸组 成 。用 P r o ／ E软件 建立 了机架 的三 维实 体模 型 ，为 了简 化模 型 ，减 少计 算 量 ， 建模 中将 拉杆 与预 紧螺母 建 为一体 ， 略去 了一 些 图 1 液压机模 型 节 点 1 9 1 3 4 5个 。 机 架 各 部 件 之 问存 在 多 处接 触 ，在 ANS YS 分 析 中 采 用 面 一面 接 触 处 理 ， 拉 杆 与上 横 梁 、 下 横 梁 之 间 的接 触不 存 在 滑 移 ， 采 用 绑 定 接 触 ； 上 横 梁 、 下 横 梁 与 立 柱 之 间 的接 触 面 可 能 出 现 裂 缝 ，采用 粗糙 接 触 ； 3个 液压 缸 应 固定 在 上 横 梁 上 ，法 兰 与上 横 梁 之 间 也 采 用 绑 定 接 触 。 根 据 液 压 机 的实 际 情 况 ， 机 架 通 过 地 脚 螺 栓 固 定 ， 因此 下 横梁 的 8个 螺栓 孔设 定为全 约束 。 2 ． 3载 荷加 载 1 加载 预应 力 ， 采 用 直接 加 载 法 ， 选取 P RE T S 1 7 9单元 ， 预 紧系 数选 为 1 ． 4 。 2 加 载工 作 载荷 8 0 MN， 分 别施 加 在 3个 液 压 缸 的顶部 和下 横梁 与工作 台接 触 的面上 。 2 ． 4计算 结果分 析 机架 的等 效应力 如 图 2所 示 ，机 架 位移分 布 如 图 3所 示 。 由图可知 ， 机 架整体 应力 分布 比较 均 匀 ， 最 大应 力 出现在预 紧螺母 与拉 杆连 接处 ，此外 上下 横 梁 与拉杆 的接触 位置 也有较 大应 力 ，都 在材料 性 能 的允许范 围之 内 。 产生 较大应 力 的原 因是 ① 局部 变形 较 大 ， 产生 应 力集 中 ； ② 由于模 型 较 大 ， 单元 划 分过 大 ， 计 算不 够精确 。施 加极 限工作 载荷 后 ， 立柱 与上 、 下横 梁接 触处无 开缝 ， 液压 机预 紧效果 较好 。 上横 梁 的等效应 力分 布如 图 4所 示 。最 大应力 图 8 优化筋板 构优化 ， 得 出结果 如表 1所 示 。 优 化 后 ， 下 横梁 的应力 分布 更均 匀 ， 最 大等 效应 力 1 3 3 ． 5 8 MP a， 与初始 设 计 变化 不大 ， 小 于 材料 的许 用应 力 。 说 明按照优 化设 计方 案 ， 不 会影 响液压 机 的 工作 性能 ， 下 横梁 的重 量减 轻 了 4 ． 9 ％， 节省 了材 料 ， 并 为 液 压 机其 他 零 部 件 的优 化设 计 提供 了 一定 指 导 。 表 1 优化 结 果 P l ／ ram P | mm P 0 mm P d mm 最大等效应力／ MP a 初始值 1 4 0 1 4 0 1 9 0 1 9 O 1 3 7 ．6 7 优化后 7 2 ．9 5 6 7 ． 3 2 l 2 0 ． 5 l 1 5 _ 3 1 1 3 6 ． 6 3 圆整后 7 0 7 0 1 2 0 1 2 O l 3 3 ．5 8 4结 论 通 过对 8 0 MN油泵 直接 传动 双柱 自由 快 速 锻 造液 压机 机架 的有 限元分 析 ， 得 出如 下结论 1 机 架整 体应 力 、 变 形分 布 比较 均匀 ， 强度 、 刚 度 符 合设计 要求 ， 设 计合理 。 2 施 加 工 作 载荷 后 ， 立 柱 与上 、 下横 梁 接 触处 无 开 缝 ， 液 压机 预 紧效果较 好 。 3 对 于局 部 变形 大 ， 有 应 力集 中 的部件 ， 应 单 独 建模 ， 细化 网格进 行分 析 。 图 9 优化后下横梁等效应力图 4 液压 机部件 存在 优化 空间 ， 通 过合 理 的结 构 优 化设计 可使 液压 机轻量 化 。 【 参考 文献 】 [ 1 ] 俞新 陆．液压机 的设计与应用 f M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 [ 2 ] 博 弈创作室． A NS YS 9 ．0经典产 品基础教程 与实例详解[ M】 ． 北京 中国水利出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】 张洪 信．有 限元基础理论与 A NS Y S应用． 北京 机械工业 出版社 ， 2 o 0 6． [ 4 ] 张庆飞 ， 赵宏松 ， 陆爱 国．组合 框架 式机身的温差法 预紧分析[ J J ． 锻压技术 ， 2 0 1 0 ， 3 5 5 6 O 一 6 3 ． 【 5 ] 段志东， 苏铁明．基于广义模块化设计的预应力机架有限元分析 l J J． 锻压技术 ， 2 0 0 9 ， 3 4 2 7 4 7 8 ． [ 6 ] 蒲广益． A N S Y S Wo r k b e n c h 1 2基础教程与实例详解[ M] ． 北京 中 国水利水 电出版社 ， 2 0 1 0 ． 【 7 】 翟 富刚 ， 张军 ， 王建军 ， 等． 2 0 MN快 锻液压机关 键部件有 限元 分析【 J 1 _锻压装备与制造技术 ， 2 0 0 7 ， 4 2 6 2 8 2 9 ． [ 8 ] 刘 志存 ， 叶 臻． I O MN液 压机 整体框架机 身有限元 分析 锻 压 装备与制造技术， 2 0 1 0 ， 4 5 4 2 0 2 1 ． Fi n i t e e l e me nt a n a l y s i s o f 8 0 M N d o ub l e -c o l u mn o b l i q ue f r a me f o r f a s t - _ f o r g i ng h y dr a ul i c pr e s s LI U Xi ng 。 LI Yong t a ng ， YAN Hongho ng ， LI Xi a o ，ZHA NG Yi gong 1 ． T a i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，S h a n x i C h i n a ；