波纹管液压机的静力学分析与优化.pdf

电气技术与自动化 宋子玲 波纹管液压机的静力学分析与优化 波纹管液压机 的静 力学分析与优化 宋子玲 扬州大学 机械工程学院， 江苏 扬州 2 2 5 1 2 7 摘要 在波纹管加工过程中， 液压机的上梁、 中梁、 下梁、 立柱以及加强板都承受着较大的工 作应 力． 因而液压机各个部 件的机构设计是 否合理在很 大程度 上决定 了其性 能的好坏 。以某 型3 8 0 0t 波纹管液压机为研究对象， 通过有限元分析软件 A N S Y S作为分析平台， 对该型液压 机各部件进行静 力学分析 ， 得到 了该型液压 机各部件 的强度及 刚度分 布情 况。在 不 明显 增加 其质 量的基础上 ， 提 出了相应的优化方案以提 高其强度 与刚度 ， 达到 了优化分析的 目的。 关键 词 液压机 ； 有 限元 分析 ； 强度 ； 刚度 ； 优化 分析 中图分类号 T H I 1 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 ． 5 2 7 6 2 0 1 2 0 3 - 0 1 7 8 - 0 3 M e c ha n i c s An a l y s i s a n d Opt i mi z a t i o n o f Be l l o ws Hy d r a ul i c Pr e s s S ONG Zi l i n g C o l le g e o f Me c h a n ic a l E n g i n e e d n g ， Y a n g z h o u U n iv e r s i t y ， Y a n g z h o u 2 2 5 1 2 7 ， C h i n a Abs t r a c t I n t h e p r oc e s s i n g o f me t a l ，t h e t o p gir de r ，mi d d l e g i r de r ，do wn g i r de r an d r e i n f o r c in g p l a t e ar e u n d er t he g r e a t wo r k in g s t r e s s．So t h e h yd r au l ic p r e s s’ S qu a l it y d ep e n d s on we l l de s ign e d p ar s．Th is p ap e r i s t a k e s t h e 3 8 0 0 t on s of t h e b e l lows h y dr a uli c p r e s s f o r o b j e c t o f s l u d y a n d u s e s A N S YS s o f t wa r e a s a n a ly s is p la t f o r m t o a n a ly z e t h e p a r s of t h e p res s a n d g e t s t h e p a d s ’in t e n s i t y a n d r ig id ity．I n t h e c o n d it io n o f n o t o b v i o u s l y i n c r e a s i n g t h e b e l lo ws h y d r a u l ic p r e s s ’ s ma s s． t h e o p t imiz a t io n s c h e me i s p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s h y d r a u li c p r e s s ；f i n i t e e l e me n t a n a ly s i s ； i n t e n s ity； r ig id i ty；o p t i miz a t i o n a n a ly s i s 0 前言 波纹管液压机是利用液压传动技术进行压力加工的 设备 ， 在波纹管制品成型生产中得到了极其广泛的应用。 影响波纹管液压机品质的因素很多， 其中机架的设计水平 是非常关键的一个因素， 这是由机架的受力和结构特点决 定的。其质量约占整机体质量的 6 0 ％以上。液压机机架 的设计水平 ， 对液压机的制造成本 ， 技术性能和使用寿命 有着决定性的影响。其结构及应用方式如图 1 所示。 图 1 波纹管液压机结构 对于较为 简单 的结 构可 以利用材料 力学把 机架 简化 为材料力学范畴的平面钢架 ， 把横梁简化为材料力学范畴 的简支梁， 然后按照材料力学的方法进行强度， 刚度校核。 但普遍存在着设计周期长， 结构冗余 ， 材料使用偏保守等 弊端， 从而导致产品质量大， 成本高 ， 一定程度上减弱了产 品的竞争力。通过数值计算仿真可以把整个机架及横梁 作为研究对象， 将他们视为空间板梁组合结构， 利用精度 较高的有限元法进行整体结构分析 ， 分析结果的准确性可 靠性大大提高。目前人们把结构优化设计方法引入波纹 管液压机设计 ， 使设计从安全校核转变为优化设计。通过 有限元的优化方法能从各种可能的结构设计方案中寻找 较完善的或较合理的方案， 使材料分配趋于合理 ， 对于提 高液压机的强度、 刚度、 降低质量有着重要的意义。 1 波纹管液压机的有限元分析 1 ． 1 有限元分析模型 的建立 在进行波纹管液压机的结构优化前 ， 需对其进行结构 的应力分析， 使用 A N S Y S软件对其进行有限元分析。由 于整机尺寸较大， 分析过程中存在着一定的难度， 在分析 过程中按照实际工况将其分为上梁 、 中梁以及下梁三部分 来进行分析。有限元分析时采用 6自由度 的 S o l i d 4 5单 元。上梁结构共划分 2 9 4 5 4 3个单元， 6 00 1 9个节点； 中梁 结构共划分 1 3 1 9 2 8个单元， 2 8 5 6 4个节点； 下梁结构共划 分2 0 1 8 7个单元， 4 5 7 2 7 个节点。 1 ． 2 约束与加载 波纹管液压机机架材料认为是各向同性材料， 密度分 作者简介 宋子玲 1 9 8 7 一 ， 男 ， 江苏南通人 ， 硕 士研究生 ， 主要研究方向为固体力学、 实验力学 。 1 7 8 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n o u r n M ． n e t ． C N E m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c a 机械制造与 自 动化 电气技术与自动化 沈勇， 等 各种因素对转轮除湿机性能影响的分析 等参数对转轮除湿机性能的影响。 a 进口处再生空气温度的影响 再生空气的温度是直接影响到转轮除湿机性能的重 要参数， 若在较低的再生温度下， 转轮中进行的主要是全 热交换过程； 随着温度的升高， 转轮中吸湿剂解吸再生的 趋势才逐渐明显， 直至整个过程都是 由解 吸再生趋势控 制 。人们希望能够充 分利用 低 品位 的热源来 作为转 轮解 吸再生的能源， 低品位能源可能温度不高， 使得再生空气 被升温的幅度有限。再生空气温度是如何影响转轮除湿 机的性能 ， 再生空气的温度降至何值时仍可确保进行的主 要是除湿过程， 都是人们所关心的问题。所以确定再生空 气温度对转轮除湿机性能的影响， 如何判断转轮中进行的 传热传质过程是全热交换过程还是吸湿一解吸再生过程． 导致两者分界点的再生温度在何处 ， 是本文研究 的重点 之一。 在转轮式全热交换器中， 两股空气的主要过程是将处 理空气中的水分传递给再生空气， 并且将低温侧的温度升 高， 此时转轮除湿的数学模型应该改为全热交换器的数学 模型； 而且由于全热交换过程最合适的热空气区扇形角是 1 8 0 。 ， 若此时仍然按照除湿过程来设置再生区扇形角为 9 0 。 ， 也不能够使全热交换过程高效率地进行； 作为全热交 换 器的转轮 的转速也 比除湿转轮所要求 的转速要快得 多。 这些都是研究转轮除湿过程必需考虑的问题。 b 进 口处再生空气湿度的影响 吸湿剂的再生过程实际是吸湿剂的干燥过程， 此时推 动水蒸汽由吸湿剂向再生空气传递的动力是吸湿剂表面 的水蒸汽分压力与再生空气 中的水蒸汽分压力之差。除 湿机进口再生空气的湿度对除湿机性能的影响的研究并 不全面， 对于这种因素的影响应该结合温度的影响来共同 考虑 ， 这是因为再生空气比吸湿剂的温度高 ， 因而传递热 量给吸湿剂 ， 使吸湿剂的温度同时升高。再生空气中的水 蒸汽分压力主要与大气压力和空气的含湿量有关。 c 再生空气流速的影响 再 生空气的流速直接影 响吸湿剂再 生速度 的大小 ， 对 流换热系数因流速的增加而增大 ， 传热系数也因流速的增 加而增加 ， 这样使总的再生过程时间都缩短了； 而且可以 通过调节再生空气的流速来适应处理空气流量及状态参 数的变化。总之再生空气流速的增加强化了再生过程， 使 得转轮的再生速度加快 ， 但是此时不改变再生区扇形角， 可能会再生后 的转 轮 区域被加 热 ， 升高 吸湿 剂 的温度 ， 从 而影响 吸湿过程 的进行 ； 而且 从系 统的能 耗考虑 ， 流速增 加会导致再生热量的需求增大， 在转轮再生侧的换热效率 降低， 系统的 C O P将下降； 所以在额定工况下应慎重考虑 改变空气流速 ， 若改变再生空气流速 ， 应相应调节再生区 扇形角， 再生空气的温度等参数， 在实际的应用中， 用户来 改变再生 区扇形 角是 不可行的 ， 因此 多采 用调节再生空气 温度的方法 。 3 结论 影响转轮除湿机性能的因素很多， 但是除湿转轮的本 体参数基本都是由设备制造商确定的， 其可变化的幅度不 大 ， 工程设计人 员 主要 应考 虑 空气 参数 和应 用 环境 的影 响 ， 明确处理空气被除湿后 的露 点温度是需要控制 的重 要 参数。只有全面了解转轮除湿机性能才能够合理配置除 湿供冷空调系统。 参 考文献 [ 1 ] 代彦军， 俞金娣， 张鹤飞． 转轮式干燥冷却系统参数分析与性 能预测[ J ] ． 太 阳能学报 ， 1 9 9 8 ， 0 1 ． [ 2] 薛殿华 ． 空气调节[ M] ． 北京 清华 大学 出版社 ， 1 9 9 1 ． 收稿 日期 2 0 1 11 21 3 上 接第 1 8 0页 3 结论 通过使用 A N S Y S有限元分析软件对波纹管液压机进 行有限元分析， 并与实验数据进行对比， 验证 了仿真模型 的正确性 。 在对波纹管液压机进行优化分析过程中， 通过参数化 寻优思想， 有效地解决 了构件等强度设计的问题 ， 为企业 生产提供了新的思路。 通过对波纹管液压机进行优化分析 ， 结构的最大应力 从 3 2 8 MP a下降到 2 6 8 MP a ， 整体应力得到了较大的下降 及较均匀的分布 ， 达到了优化设计的目的。 Ma c h i n e B u i ld i n g 8 A u t o m a t i o n ， J u n 2 0 1 2， 4 1 3 1 8 3～1 8 5 参考文献 [ 1 ]吴生 富 ，聂绍双 ， 等．大 型锻造液压机 全预 紧机架 的整体性 分析 [ J ] ．燕山大学学报 ， 2 0 0 6 ， 5 ． [ 2]杜建伟 ， 孙远 国， 宋清玉．热模 锻压力机机身联合有 限元分 析 [ J ] ．设计 与计算 ， 2 0 1 1 ， 3 ． [ 3 ]周建方．材料力学[ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ]龚曙光．有限元分析与 A N S Y S AP D L编程及高 级应 用 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 收稿 日期 2 0 1 11 01 3 1 8 5