缸梁一體式壓力機變形及應力分析

王 強，孫友松，戴 昆，王仲仁

（1.濟南大學 機械工程學院，山東 濟南 250022；2.廣東工業大學，廣東 廣州 510090；3.青島宙慶工業設計有限公司，山東 青島 266111；4.哈爾濱工業大學 材料學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

缸梁一體式壓力機變形及應力分析

王 強1，孫友松2，戴 昆3，王仲仁4

（1.濟南大學 機械工程學院，山東 濟南 250022；2.廣東工業大學，廣東 廣州 510090；3.青島宙慶工業設計有限公司，山東 青島 266111；4.哈爾濱工業大學 材料學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

概述了缸梁一體式壓力機的結構、原理和特點。分析了51.9MN主機上球冠的彈性位移，在不考慮機身或立柱彈性變形的前提下，上球冠變形的數量級為1mm左右，與同噸位傳統三梁四柱式液壓機的變形數量級相當。文章以10.5MN主機為對象，采用有限元方法，分析并獲得了主機結構的應力分布，提出了改進結構設計的思路。

機械制造；缸梁一體液壓機；結構；工作原理；應力分析

1 引言

缸梁一體式壓力機是由王仲仁教授提出的一種全新壓力機[1]，主機結構如圖1所示。機器液壓缸與上橫梁采用半球形殼體一體化結構，下部直接與機身相連，滑塊受柱塞驅動下行，省去了受力復雜且很重的上橫梁，實現了缸梁合一。下梁亦可采用相同結構的半球形殼體，其上固定工作臺。上球殼與下球殼之間采用圓筒狀結構機身，圓筒中開孔，可進行模具裝卸與生產等操作。

表1給出了不同直徑、不同厚度球殼缸梁一體式壓力機能夠達到的公稱力。若采用3.2m直徑半球，球殼壁厚125mm，液體工作壓力21MPa，主機公稱力可達100MN。液體工作壓力不變，半球直徑增大至8.8m，板厚增加至290mm，公稱力可達900MN。

表1 缸梁一體式壓力機公稱力、半球缸直徑與球殼壁厚

缸梁一體式壓力機具有以下特點：

（1）由于缸梁合一，可大幅度減小壓力機的高度。

（2）由于半球形殼體結構材料承受均勻的拉應力，材料利用率高，整機質量可降低1/3～1/2，機械加工量可減少2/3，制造成本可降低1/3～2/3。

（3）半球形殼體增大了液壓缸的作用面積，而傳統液壓機主油缸的直徑遠小于橫梁尺寸。因此，對于同樣的主機外形尺寸，缸梁一體壓力機可獲得更大的公稱力，更適合制造大型與超大噸位的液壓機。

采用半球形殼體取代傳統液壓機中的上橫梁與液壓缸，徹底改變了傳統的三梁四柱結構，為制造大型與超大型液壓機提供一個新思路，是對傳統液壓機制造理念的根本性變革。本文擬對缸梁一體式壓力機工作狀態下的變形及應力分布開展研究，旨在為后期的工程設計及應用奠定基礎。

2 變形分析

2.1 三梁四柱式液壓機的變形

傳統液壓機通常采用三梁四柱結構，在工作載荷作用下，機身發生彈性變形，變形量包括上橫梁的撓度、液壓缸體的彈性伸長量、立柱或機身的彈性伸長量。

以公稱力51.9MN的三梁四柱式液壓機為例，液體工作壓力20MPa，上橫梁跨度4.5m，液壓缸內徑1.8m，按照文獻[2]給出的計算方法，上橫梁的撓度為0.15×4.5=0.675mm。取液壓缸體長度1.5m，則其變形量為1500×0.03%=0.45mm。因此，在不考慮立柱彈性變形的前提下，液壓機總的變形量為1.125mm。

2.2 缸梁一體式壓力機的變形

缸梁一體式壓力機的液壓缸與上橫梁為一體化半球形殼體結構，主機的彈性變形包括上球冠的彈性位移、機身的彈性伸長量。上球冠的變形對主機產生重要影響，其彈性位移取決于材料的彈性模量、液體工作壓力、球冠的直徑與厚度。

為了便于對比，計算模型取相同的主機公稱力51.9MN和液體工作壓力20MPa，上球冠直徑為2.5m，板厚分別為 50、60、80mm，采用有限元方法進行計算，獲得的彈性位移如表2所示。上球冠高度方向位移分布見圖2，最大變形量為1.3mm。

表2 缸梁一體式壓力機上球冠的彈性位移

2.3 對比

上述計算結果表明，在不考慮機身或立柱彈性變形的前提下，缸梁一體式壓力機工作時上球冠變形的數量級為1mm左右，與同噸位三梁四柱式液壓機的變形數量級相當。

3 應力分析

3.1 分析對象

分析對象選擇公稱力10.5MN缸梁一體式壓力機，機器主要技術參數如表3所示。

表3 10.5MN缸梁一體式壓力機主要技術參數

3.2 分析模型

采用有限元分析方法，選擇實體單元和殼單元，忽略螺栓等部分細節，網格劃分后的主機分析模型如圖3所示。

3.3 結果與分析

圖4、圖5給出了10.5MN缸梁一體式壓力機工作狀態下的等效應力分布情況，從總體上看，等效應力數值不高。

由圖4可以看出，有以下兩處應力偏高，一是在半球與長頸法蘭連接處由于構件剛度突變在接合部半球一側存在較大的徑向剪應力，沿經線及緯線方向均存在較高的拉應力，導致等效應力明顯高于相鄰區域的數值，在該處的設計需要考慮剛度的平緩過渡；二是在機身窗口的圓角連接部位由于上下橫截面急劇變化導致該處應力高于機身其他部位，該處應進一步補強。

4 結論

（1）51.9MN缸梁一體式壓力機上球冠變形的數量級為1mm左右，在不考慮機身或立柱彈性變形的前提下，與同噸位傳統三梁四柱式液壓機的變形數量級相當。

（2）在工作狀態下，10.5MN缸梁一體式壓力機等效應力分布均勻且數值不高。半球與長頸法蘭連接處、機身窗口圓角連接處需進行結構改進。

[1]王仲仁，苑世劍，王小松，等.缸梁一體式壓力機.中國發明專利申請號：2010105026885，2010-10-05.

[2]俞新陸.液壓機設計與應用[M].北京:機械工業出版社，2004：156.[3]王仲仁，張 琦.省力與近均勻成形—原理與應用[M].北京:高等教育出版社，2010.

Deformation and stress analysis on the hydraulic press with unity of cylinder and beam

WANG Qiang1，SUN Yousong2，DAI Kun3，WANG Zhongren4
（1.University of Jinan，Jinan 250022，Shandong China；2.Guangdong University of Technology，Guangzhou 510090，Guangdong China；3.Zhouqing Industry Design Co.,Ltd.,Qingdao 266111，Shandong China；4.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，Heilongjiang China）

The structure，principle and properties of the hydraulic press with unity of cylinder and beam(HPUCB)have been introduced.The elastic deformation of the upper semi-spherical shell of the 51.9MN HPUCB has been analyzed.Without the consideration of elongation of the frame or column，the magnitude of deformation is about 1mm，which is similar to the traditional hydraulic press with three-beam and four-column structure.Taking the structure of the 10.5MN HPUCB as an example in the text，the stress distribution has been analyzed and obtained by use of FEM.The idea to improve the structure has been put forward.

Hydraulic press by Unity of cylinder and beam；Structure；Working principle；Stress analysis

TG315.4

B

1672－0121(2011)06－0025－03

2011-09-03

王 強（1963-），男，博士，教授，從事塑性加工技術的教學與研究