基于有限元分析對(duì)液壓機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張欣達(dá)

（西山煤電（集團(tuán)）山西支護(hù)器材開發(fā)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030053）

引言

鍛壓設(shè)備在機(jī)械行業(yè)中占據(jù)相當(dāng)重要的地位，鍛壓設(shè)備的能力、數(shù)量不僅決定國(guó)家的機(jī)械加工水平，而且還能夠反映國(guó)家的工業(yè)生產(chǎn)水平。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明，機(jī)械工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)的國(guó)家所擁有的鍛壓設(shè)備的數(shù)量為所有機(jī)床設(shè)備的30%左右。液壓機(jī)作為一種通用的鍛壓設(shè)備，通過(guò)液壓傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行壓力加工，是目前應(yīng)用最為廣泛的鍛壓設(shè)備[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)各行業(yè)領(lǐng)域的高速發(fā)展，對(duì)優(yōu)質(zhì)合金鋼、耐熱合金鋼的需求量越來(lái)越大，對(duì)自由鍛件的尺寸和精度要求越來(lái)越高。在此新形勢(shì)、新背景下對(duì)液壓機(jī)的性能（鍛造速度和精度）提出了更高的要求。因此，需對(duì)液壓機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其鍛造速度和鍛造精度滿足產(chǎn)品的要求。

1 液壓機(jī)工作原理

液壓機(jī)是通過(guò)液壓傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓力加工的鍛造設(shè)備，其工作介質(zhì)為液壓油。液壓傳動(dòng)主要經(jīng)歷兩次能源轉(zhuǎn)換，首先是基于動(dòng)力裝置賦予液壓油獲得相應(yīng)的壓力能，然后將具有壓力能的液壓油轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。液壓機(jī)主要由本體、控制系統(tǒng)以及液壓泵站三部分分系統(tǒng)組成。其中，液壓泵站為液壓機(jī)的動(dòng)力源；控制系統(tǒng)通過(guò)控制設(shè)備中液壓油的壓力和流動(dòng)方向完成相應(yīng)的機(jī)械操作；本體為液壓機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[2]。

工作原理：將液壓油充滿液壓機(jī)的液壓油缸中，油缸內(nèi)一端為小柱塞，另一端為大柱塞。當(dāng)對(duì)小柱塞施加一個(gè)外力F1，則作用液壓油上的單位壓力為P：

式中：P為液壓油上的單位壓力；F1為作用于小柱塞上的作用力；A1為小柱塞的橫截面積。

根據(jù)液壓油靜壓力傳動(dòng)原理，作用于大柱塞的作用力為F2：

上述原理中的小柱塞為液壓機(jī)中液壓泵中的柱塞，大柱塞為液壓機(jī)設(shè)備中工作油缸的柱塞。因此，可根據(jù)生產(chǎn)需求增大液壓機(jī)設(shè)備中工作油缸的柱塞面積，獲取較大的壓力。

2 液壓機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與存在問(wèn)題

傳統(tǒng)液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)為三梁四柱式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)液壓機(jī)的重心較高，在實(shí)際沖壓過(guò)程中導(dǎo)致其本體的晃動(dòng)很大。因此，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的液壓機(jī)為下拉式結(jié)構(gòu)。目前，液壓機(jī)的通用結(jié)構(gòu)主要由上橫梁、立柱、回程缸、固定橫梁、工作缸、下橫梁以及高壓管等組成[3]。液壓機(jī)與其他鍛壓設(shè)備的相比具體如下特點(diǎn)：

1）液壓機(jī)能夠獲取更大的工作壓力、工作行程，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)更大更高工件的加工；

2）液壓機(jī)在對(duì)零件加工過(guò)程中工作非常平穩(wěn)，其所產(chǎn)生的撞擊和振動(dòng)均很?。?/p>

3）液壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)、制造；

4）大功率高速電機(jī)的應(yīng)用大大提升了液壓機(jī)的工作效率。

本文所研究的液壓機(jī)的類型為單動(dòng)薄板沖壓液壓機(jī)，具體型號(hào)為HJY27-630。該液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 液壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示單動(dòng)薄板沖壓液壓機(jī)的主要部分包括有：上橫梁、活動(dòng)衡量、邊柱以及下橫梁。該型號(hào)液壓機(jī)為重型機(jī)械，所有部件均采用鋼板焊接而成，導(dǎo)致其制造成本較高。經(jīng)計(jì)算可得，單動(dòng)薄板沖壓液壓機(jī)上橫梁、活動(dòng)衡量以及下橫梁所耗費(fèi)鋼材的成本占該產(chǎn)品總成本的70%以上。因此，本文將對(duì)液壓機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減重降成本的目的[4]。

3 液壓機(jī)關(guān)鍵部件的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

本節(jié)以液壓機(jī)上橫梁為研究對(duì)象，詳細(xì)說(shuō)明基于有限元分析實(shí)現(xiàn)對(duì)上橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到減重目的的思路。

3.1 上橫梁模型的搭建

上橫梁模型搭建時(shí)需作出如下假設(shè)：

1）假設(shè)液壓機(jī)上橫梁結(jié)構(gòu)中的焊接質(zhì)量是可靠的，將整個(gè)液壓機(jī)近似看為一個(gè)整體；

2）對(duì)液壓機(jī)中各個(gè)細(xì)微結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)化處理；

3）將液壓機(jī)機(jī)架所采用的材料近似為相同的材料，即液壓機(jī)的密度是均勻分布的[5]。

基于上述模型搭建原則，對(duì)液壓機(jī)上橫梁中的油道、吊耳以及圓角進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，只保留上橫梁部件中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，所搭建的上橫梁的有限元模型如圖2 所示。

圖2 液壓機(jī)上橫梁結(jié)構(gòu)的有限元模型

網(wǎng)格劃分結(jié)果：根據(jù)仿真要求將上述上橫梁結(jié)構(gòu)有限模型劃分為52 804 個(gè)節(jié)點(diǎn)，共包含有26 714個(gè)單元。

載荷的確定：根據(jù)液壓機(jī)的工況，設(shè)定最惡劣工況下外界載荷確定如下：液壓缸所承受的力為6.17×106N；緩沖油缸所承受的力為4.9×106N；平均殘余應(yīng)力為1.6×105N。

3.2 仿真結(jié)果的分析

經(jīng)仿真分析可得：液壓機(jī)上橫梁上述工況下的最大應(yīng)力發(fā)生在螺母處。液壓機(jī)在實(shí)際工作中，上橫梁所受到的載荷是由液壓缸的作用力和邊柱對(duì)上橫梁的作用力共同導(dǎo)致的，因此其所承受的最大應(yīng)力集中到上橫梁螺母的位置，且最大應(yīng)力值為85 MPa。上橫梁所選用的材料為Q235 號(hào)鋼。即，上橫梁的許用應(yīng)力235 MPa 遠(yuǎn)大于其在最惡劣工況下的最大應(yīng)力值。

此外，通過(guò)應(yīng)變?cè)茍D來(lái)看，液壓機(jī)上橫梁在上下方向的最大位移變形為0.31 mm；在前后方向的最大位移變形為0.055 mm；在前后方向的最大位移變形為0.09 mm。

綜上所述，液壓機(jī)上橫梁應(yīng)力集中位置處的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于Q235 的許用應(yīng)力；最大位移變形很小。因此，液壓機(jī)上橫梁的優(yōu)化空間很大。

3.3 液壓機(jī)上橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合3.2 的仿真結(jié)果和液壓機(jī)上橫梁鋼板的焊接標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼板的厚度進(jìn)行重新調(diào)整，并通過(guò)仿真手段驗(yàn)證改進(jìn)后鋼板厚度的強(qiáng)度要求是否能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整、仿真結(jié)果得出上橫梁結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化尺寸如表1 所示。

表1 液壓機(jī)上橫梁機(jī)構(gòu)的優(yōu)化前后對(duì)比

如表1 所示，對(duì)液壓機(jī)上橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后關(guān)鍵位置鋼板的厚度均被減小，使得液壓機(jī)的整體減重18.6%。此外，上橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的最大應(yīng)力比改進(jìn)前大105 MPa，變形量比改進(jìn)前大0.01 mm。綜上所述，改進(jìn)后的上橫梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

液壓機(jī)作為當(dāng)前機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的鍛壓設(shè)備，其關(guān)鍵零部件均是采用焊接工藝連接固定的。經(jīng)分析，當(dāng)前液壓機(jī)的選材及厚度的最大應(yīng)力及變形量遠(yuǎn)小于材料的需用應(yīng)力，即說(shuō)明其結(jié)構(gòu)具有較大的優(yōu)化空間。基于有限分析的手段對(duì)其關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減重的目的。實(shí)踐表明，對(duì)液壓機(jī)上橫梁結(jié)構(gòu)基于有限元分析手段優(yōu)化設(shè)計(jì)后減重18.6%，且優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)仍然滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。