液壓拉伸器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元分析及設(shè)計

劉軍安，陳小異，黃菊生，倪小丹，譚家才

LIU Jun-an,CHEN Xiao-yi,HUANG Ju-sheng，NI Xiao-dan,TAN Jia-cai

（湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101）

0 引言

全自動液壓拉伸器是各種強(qiáng)化材料進(jìn)行壓制成型的關(guān)鍵設(shè)備。目前大噸位全自動液壓拉伸器機(jī)架的結(jié)構(gòu)型式，以三梁四柱式結(jié)構(gòu)為主，經(jīng)有限元分析表明，在上梁和底座立柱孔內(nèi)側(cè)有較高應(yīng)力，如要改善螺母表面與上梁和底座接觸狀況，首先要改善該部位的應(yīng)力集中問題。靠傳統(tǒng)的工藝裝備和裝配方法，壓機(jī)四根立柱拉伸量難以精確控制，導(dǎo)致各柱之間預(yù)緊力產(chǎn)生差異，最終使各立柱在工作狀態(tài)下受力不均，導(dǎo)致故障率頻發(fā)生，主要表現(xiàn)在：1）壓機(jī)液壓活塞與工作臺面不垂直，活塞與油缸間隙單邊密封圈被剪切，密封失效；2）活塞和油缸表面拉傷；3）四立柱拉伸程度不一，受力最大的立柱繼續(xù)被拉長，導(dǎo)致活塞下行距離加長，油缸充油時間增加，壓制次數(shù)減少，降低生產(chǎn)力；4）立柱應(yīng)力集中而斷裂。當(dāng)其中有一個問題出現(xiàn)，將導(dǎo)致用戶整條生產(chǎn)線停產(chǎn)，增加了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

1 液壓拉伸器設(shè)計方案

大噸位全自動液壓拉伸器機(jī)架的結(jié)構(gòu)型式多為三梁四柱式。四根立柱將底座、活動橫梁、上橫梁連為一體，兩頭用M320×4大螺母鎖緊。在工況條件差，壓制頻率高（如12次/min以上）情況下，螺紋很容易被拉壞造成松動，導(dǎo)致自動液壓壓磚機(jī)四立柱受力不均衡，在工作中液壓活塞與工作臺面不垂直，活塞與油缸間隙單邊過量磨損，最終造成高壓密封圈失效。

高壓液壓拉伸器采用無轉(zhuǎn)距結(jié)構(gòu)設(shè)計，可避免螺母與橫梁接觸面的磨擦、螺紋變形扭曲等影響立柱預(yù)緊力等因素，使拉緊立柱受純拉伸應(yīng)力，預(yù)緊載荷精度＜2%，預(yù)緊力均勻，重復(fù)精度高，防松效果好。在裝配過程中，通過測量螺栓的伸長量，控制螺栓的軸向預(yù)緊力，能排除摩擦系數(shù)、接觸應(yīng)力變形等因素的影響，特別適應(yīng)于大功率，有振動，防松要求高的場合；且高壓液壓拉伸器不需要立柱深孔加工，減少加工時間和特殊刀具、機(jī)床費(fèi)用，具有操作簡單、安全、可靠、快速、易控制的優(yōu)點(diǎn)，為機(jī)械設(shè)備的安裝，檢修帶來更高的效率。為保證自動液壓壓磚機(jī)裝配后四立柱有足夠、均勻的預(yù)緊力，本課題所設(shè)計的高壓液壓拉伸器如圖1所示。

2 拉伸器工作原理及相關(guān)參數(shù)

圖1 超高壓液壓拉伸器設(shè)計圖

先將螺母套M320X4螺紋旋入已裝好的壓機(jī)立柱上，套上底座，調(diào)整好中心位置，將油缸組件置于底座上，吊上拉桿，用手柄將拉桿M320X4螺紋旋入螺母套，并保證螺母套與油缸底面有足夠的拉伸間隙。當(dāng)高壓軟管快換接頭連接油缸、氣驅(qū)液壓泵站后，開啟氣泵，高壓油進(jìn)入油缸，活塞環(huán)由于高壓油的作用，緩慢向上提升，當(dāng)液壓力達(dá)到預(yù)緊力時，關(guān)門閥門保壓，油泵停止工作，將螺母旋緊到位，保壓停止，卸出高壓油至油壓為零。油缸液壓油通過手柄旋下拉桿，活塞環(huán)壓下移，液壓油流回油箱。采用一只拉伸器時，需按順序?qū)穷A(yù)緊，2-3次調(diào)整氣壓。采用兩只拉伸器時，對角同時預(yù)緊，以保證整個壓機(jī)受力均勻，變形程度最小。立柱承受工作載荷后，因所受的拉力增大而沿軸向繼續(xù)伸長，其伸長量增加了Δλ，故總伸長量為λb+Δλ。與此同時，原來被壓縮的被上橫梁，因立柱伸長而被放松，其壓縮量也隨之減小。根據(jù)聯(lián)接的變形協(xié)調(diào)條件，則被上橫梁壓縮變形的減小量應(yīng)等于立柱拉伸變形的增加量。

此時的工作載荷為42000000N，上橫梁材料為：ZG35；立柱材料：35CrMoA鍛件。

設(shè)計工作壓力為103MPa，工作溫度≤60℃，活塞速度慢，密封圈單向受壓，最大行程20mm。

3 高壓液壓拉伸器關(guān)鍵部件有限元分析

初步選定超高壓液壓拉伸器關(guān)鍵尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 高壓液壓拉伸器初步計算參數(shù)

圖2 液壓立柱Solidworks2007三維建模

圖3 液壓立柱ANSYS中網(wǎng)格劃分

圖4 整體模型MISES應(yīng)力云圖

圖5 整體模型位移云圖仿真

圖6 拉桿M320×4螺紋有限元網(wǎng)格劃分

圖7 拉桿M320×4螺紋有限元網(wǎng)格(局部)

圖8 拉桿M320×4螺紋應(yīng)力云圖

圖9 拉桿M320×4螺紋應(yīng)力云圖（局部）

根據(jù)以上參數(shù)及具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，用Solidworks2007完成三維建模,結(jié)合ANSYS9.0中A P D L語言完成網(wǎng)格劃分及求解，分別用SOLID95、TARGE170和CONTA174三種計算單元角度進(jìn)行了仿真分析與計算，結(jié)果如圖2～9所示。

通過仿真計算結(jié)果并對相關(guān)設(shè)計參數(shù)做如下優(yōu)化處理：1）油缸底面與兩側(cè)環(huán)面過渡圓角R3處應(yīng)力較大，通過有限元分析修改成過渡圓角R8；2）當(dāng)活塞環(huán)行程達(dá)到20mm時，外環(huán)面徑向位移最大為0.0512mm,對密封影響不大；3）支撐座長腰形孔對結(jié)構(gòu)的削弱作用大于相反面圓弧的削弱作用，減小開孔直徑；4）底座φ620環(huán)面最大應(yīng)力為230Mpa，滿足設(shè)計要求；5）拉桿的過渡圓角R20改為R50，過渡圓角處最大應(yīng)力將從576Mpa降低到379Mpa，有效降低局部應(yīng)力集中；6）有限元分析結(jié)果與材料力學(xué)剛架模型計算結(jié)果相比有較大優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行實(shí)際方案設(shè)計，獲得成功。

4 結(jié)束語

本設(shè)計避免了螺母與橫梁接觸面的磨擦，使被緊立柱受純拉伸應(yīng)力，預(yù)緊載荷精度高，預(yù)緊力均勻，防松效果好。具有操作簡單、快速、安全可靠、易控制的優(yōu)點(diǎn)，為機(jī)械設(shè)備的裝配，檢修帶來更高的效率。在實(shí)際設(shè)計過程中，液壓拉伸器配套件，如氣驅(qū)液壓泵、高壓軟管、高壓快換接頭等均選用國產(chǎn)配件，價格實(shí)惠。且在具體使用中密封環(huán)在高液壓力作用下，油缸、活塞環(huán)都沒有變形，密封環(huán)唇口緊貼油缸面無泄露。

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