大型锻压液压机工作缸结构设计与有限元分析

  1.简介

  工作缸是液压机的重要致动器。它将液体的压力能转换成机械能。根据其分为柱塞式，活塞式，摆动式和伸缩式结构类型。 200MN锻造液压机的工作缸采用柱塞式，结构简单，易于制造。它是一种常用于大型液压机的结构形式。传统的液压机设计理论是工作缸结构设计的主要依据。

  ABAQUS擅长解决复杂问题，并已成为世界领先的有限元分析软件。它广泛用于机械，军事，化学，汽车和其他工业领域。使用ABAQUS进行数字化模拟液压缸，可以准确确定工作缸的应力分布，并可以分析其结构设计的合理性。

  2.工作缸的结构设计

  为了节省能源，特别是为了降低能耗，200MN锻造液压机使用三排六个工作缸。 6个工作气缸可同时产生200 MN的压力，4个小气缸两侧工作气缸可产生80 MN的压力，中间2个大工作气缸可产生120 MN的压力。具有不同运动的工作缸可以产生3个级别的压力，并且不同可以生产锻件以选择相应的压力水平，这大大节省了成本。车身结构和工作缸的布局如图1和图2所示。

  为了提高工作缸的使用寿命，设计直接使用螺栓将缸体固定在上梁上，即使用底部支撑。这不仅提高了上梁的刚度和强度，但也降低了工作缸的缸壁应力。

  单球铰链连接适用于滑块和侧面的四个小气缸柱塞，双球铰链连接是滑块和中间两个主缸柱塞的最佳连接方式，如图3a，b所示。

  当工作缸的工作压力高于20MPa时，碳钢锻造是工作缸的主要生产方式。 200MN锻压液压机工作缸在高压下工作31.5MPa，结构大，难以整体锻造。因此，它是通过35钢的焊接锻造而成，并且进行归一化和回火，其屈服强度为240MPa。

  柱塞在气缸中往复运动，对导套和密封件的磨损有很大影响，因此柱塞表面必须具有足够的硬度和良好的表面光洁度。为了满足这个要求，柱塞通常由碳含量高的碳素锻钢制成，并在加工后进行表面强化处理。液压机械柱塞由45钢锻造而成。

  中间工作缸的标称工作压力为120MN，其结构参数的设计计算如下：

  根据液压缸应产生的标称总压力F（N）和选定的液体工作压力P（MPa），柱塞直径D由下式确定：

  根据公式（1），计算D = 1557.7mm，并且在倒圆之后，取D = 1560mm，并且液压缸的内径D1与柱塞连接。

  它与气缸内壁的间隙Δt有关，根据经验Δt优选为15mm。

  根据上述公式（2），液压缸的内径D1确定为1590mm。根据经验公式，液压缸外径D2为：

  [σ]取120MPa，按上述公式（2），找出液压缸的外径D2为2153mm，并按下式计算：

  r1 ---气缸内径（mm）

  r2 ---液压缸外径（mm）

  由等式（4）计算，r2≥1076.5mm，取D2 = 2 * r2 = 2250mm。

气缸底部厚度：t =（1.5~2）*（r2-r1）（5）

  侧面的四个工作气缸的标称压力为80MPa。类似地，侧工作缸的结构参数可以如下预先获得：

  柱塞直径D = 900mm，Δt= 10mm，液压缸内径D1 = 920mm，外径D2 = 1360mm，缸底厚度t = 300mm。

  3.工作缸的数值模拟和结果分析

  目前，大多数液压缸采用弹性力学的经验算法。根据基本设计参数，参考相关数据确定基本设计参数，然后确定强度根据简化的机械模型进行检查。然而，由于液压缸结构复杂，难以建立精确的机械和数学模型，特别是在应力方面集中区。利用有限元法计算液压缸，可以准确确定液压缸的应力分布，然后分析结构设计的合理性。主要的工作缸的尺寸如图4所示。

  3.1有限元模型的建立

  3.1.1结构模型和单元划分

  为了使工作缸的计算更接近实际工况，根据实际情况将六个工作缸与上梁组装在一起。考虑到变形下梁对工作缸的影响很小，柱模型被截取到一半高度。

  选择工作缸格栅类型作为四面体单元C3D4，并且将缸底圆角，进油口和螺纹孔的细节啮合并细分。四个侧缸分为940,000单位和中间2主缸分为120万单位。

  3.1.2边界条件

  （1）在工作缸的内壁表面上施加31.5MPa的均匀压力，并且液体压力分布在工作缸的内壁下方。

  （2）摩擦系数μ设定为0.1，选择接触类型作为标准表面接触。

  （3）设定工作缸的材料特性：泊松比λ为0.3，弹性模量E为206,000MPa。

  （4）上梁挡杆预紧：φ200mm（10个），单个预紧力设定为4000kN，预紧模式采用螺栓载荷。

（5）柱杆预紧：预紧力应适中，预紧力会破坏拉杆;相反，梁和柱的接触部分将由于预先打开而打开紧缩力太小。总预载量为标称压力的1.4倍，280MN更合适。其中，10个φ400mm拉杆的单个预载荷设定为17500kN;单个预载12个φ320mm拉杆设定为11200kN;预加载方法使用螺栓载荷。

（6）实心截面的边界条件应用于柱的中间部分。

  其数值模型如图5所示：

  3.2模拟结果和分析

  在计算工作缸的数值模型后，观察并分析工作缸的等效应力云。

  3.2.1中间主工作缸的模拟结果和分析

  切割主工作缸以观察工作缸的内部和外部应力分布。中间主工作缸的等效应力云图如图6所示：

  对主工作缸的等效应力分布云的分析表明：

  （1）工作缸内部填充口附近的等效应力分布的平均值最高，在105和120MPa之间。等效应力的最高点是119MP，位置在工作缸的内壁靠近液体灌装口的下部。

  （2）工作缸壁厚壁圆筒部分内壁的等效应力值较高，等效应力分布在95~115MPa之间相对均匀。

  （3）工作缸底部的等效应力值相对较低，在68和85MPa之间。

  （4）工作缸的厚壁圆柱形部分的外壁具有最低的等效应力值，最大等效应力值仅为60MP。

  数值计算结果表明，主工作缸的最大等效应力出现在内壁液体注入口附近，值为119MP，工作缸筒材料35钢有产量热处理后强度为240MPa，安全系数大于2.可以进一步证明主工作缸的强度符合设计要求。

  3.2.2侧工作缸模拟结果

  图7显示了侧缸的等效应力云。

  对侧工作缸的等效应力分布云进行了分析，得到了以下结果：

  （1）在液体注入口附近产生最大等效应力，其等效应力值为129.5MPa。

（2）圆筒内壁厚壁圆柱部分的等效应力分布相对均匀，等效应力值较大，等效应力值为85~110MPa。

  （3）侧工作缸内壁和缸体外表面应力分布均匀，等效应力低，等效应力值大多在75MPa以下。

侧工作缸材料由35钢制成。热处理后，屈服强度为240MPa。数值计算结果表明，侧工作缸的最大等效应力为130MPa，安全性较高因子计算为1.85。因此，侧工作缸的强度符合设计要求。

  4。结论

  本文采用传统的液压机设计理论，通过公式计算计算出200 MN锻压液压机的工作缸。然后用有限元分析软件ABAQUS对其进行建模三维工作缸组件，用于静态有限元模拟计算。通过分析工作缸模拟结果的等效应力，工作强度气缸符合设计要求，进一步证明了传统公式的计算结果在液压缸工作缸设计规范中是正确可行的。