大型鍛造操作機用傾斜缸缸底法蘭的計算

房志遠，羅遠新，張營杰

(1．中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032;2．重慶大學機械工程學院，重慶 400030)

0 前言

傾斜缸是鍛造操作機升降機構的重要組成部分，其工作可靠性直接影響鍛造操作機的整體性能。對大型鍛造操作機而言，若傾斜缸發生故障，不僅維修非常麻煩，而且會引發安全事故;由于傾斜缸零部件幾何尺寸較大，一旦發生破壞，將會造成較大的經濟損失。傾斜缸缸底法蘭是傾斜缸的關鍵零件，由于目前關于大型油缸缸底法蘭的設計方法少有介紹，設計時一般只好對已有結構進行類比。

本文采用巴赫 (Bach) 法［1，2］對傾斜缸缸底法蘭全斷面上的彎曲應力以及翼緣處的彎曲應力進行計算，并通過有限元法分析各種因素對缸底法蘭彎曲應力的影響，提出改善缸底法蘭受力情況的幾項措施，為同類型零部件的設計優化提供參考。

1 傾斜缸缸底法蘭彎曲應力的計算［1，2］

按照傳統設計方法，根據傾斜缸缸底法蘭與普通法蘭結構的相似性，一般采用巴赫法進行核算。巴赫法是將法蘭圓環展開拉直，假設成一個受力的懸臂梁來計算。此種計算方法簡單易行，為設計者廣泛采用。

傾斜缸缸底法蘭的結構簡圖如圖1所示。通常選取兩個斷面對其彎曲應力進行校核:一是校核全斷面A－A上的平均彎曲應力σw1，二是校核法蘭翼緣B－B處的彎曲應力σw2，三是校核法蘭底部開孔處的應力σw3。

圖中:D為法蘭外徑，D=700 mm;d為中心開孔直徑，d=18 mm;d1為法蘭安裝螺釘的分布圓直徑，d1=590 mm;d2為傾斜缸內徑，d2=450 mm;d3為缸底緩沖腔直徑，d3=200 mm;d4為螺孔直徑，d4=62 mm;n為安裝螺釘的數量，n=20。h為法蘭翼緣厚度，h=180 mm;h1為緩沖腔底部厚度，h1=125 mm;H為法蘭總厚度，H=250 mm;p為傾斜缸油液工作壓力，p=25 MPa;R為翼緣處圓角，R=2 mm。

圖1 傾斜缸缸底法蘭的結構簡圖Fig.1 Strcture diagram of flange at the bottom of tilting cvlinder

1.1 法蘭全斷面上的平均彎曲應力計算

根據巴赫法，法蘭全斷面上的平均彎曲應力為σw1:

1.2 法蘭翼緣處的彎曲應力計算

根據巴赫法，法蘭翼緣處的平均彎曲應力為σw2:

1.3 底部開孔處的應力計算

底部開孔處的應力σw3為:

式中，φ為開孔系數，φ= (d3－d) /d3

2 有限元分析

為了全面分析各因素對傾斜缸缸底法蘭彎曲應力的影響，我們采用有限元法分別對以下四種情況進行核算。

2.1 對原始模型的核算

對傾斜缸缸底法蘭采用SolidWorks建模，使用Abaqus對其進行有限元分析。由于缸底法蘭結構和載荷的對稱性，取模型的1/4進行有限元計算。缸底材料為42CrMo，其彈性模量E=206 GPa，泊松比 μ =0.3［3］。在面 XOZ、YOZ 上施加對稱約束，在法蘭底面加兩個彈簧來約束Z方向的位移，如圖2所示。在法蘭內表面及密封圈下部施加液體壓力p=25 MPa，在每個螺釘頭部區域內施加的力F=198803.9 N。對模型進行網格劃分，整體單元為10 mm，并對翼緣圓角及底部開孔處網格進行局部細化，單元大小為5 mm，共劃分單元 233297個，節點 249442個(如圖3所示)。取Mises應力和最大主應力進行比較 (其結果如圖4所示)。

圖2 有限元計算邊界條件Fig.2 Boundary conditions calculated with EEM

2.2 翼緣處圓角R值的影響

將翼緣處圓角R=2 mm增大到R=5 mm，載荷及約束施加與2.1相同 (其結果如圖5所示)。根據有限元計算結果可以看出，隨著法蘭翼緣處圓角R的不斷增大，其應力水平有著顯著的下降。

2.3 螺釘施加預緊力的影響

取螺釘的預緊系數η=1.3，則對每個螺釘頭部區域施加載荷258445.1 N，法蘭與缸筒接觸表面施加載荷298205.9 N，其它條件不變(其結果如圖6所示)。螺釘施加預緊力后，法蘭翼緣圓角處的應力較原始模型略有改善。

2.4 在底部開孔處增加一個卸載槽

在底部開孔處增加一個R=5 mm的卸載槽(其結構如圖7所示)，其余條件不變 (其結果如圖8所示)。根據有限元計算結果，在底部開孔處增設卸載槽，可以顯著改善其受力狀況。

由于傾斜缸缸底開有小孔，產生應力集中，在此只對法蘭翼緣圓角處的彎曲應力σw2與底部開孔處的應力σW3進行比較。現將巴赫法計算結果及四種有限元計算結果的Mises應力見表1，單位(MPa):

表1 巴赫與有限元計算結果對比Table 1 Contrast of Bach and finite element calculated results

3 結論

(1)按照公式 (2)、(3)的計算結果，不能反映傾斜缸缸底法蘭彎曲應力的實際分布，計算結果遠低于實際數值。

(2)實際設計中，法蘭翼緣的過渡圓角R在結構允許的情況下應盡量增大;法蘭與缸筒連接螺釘保持適當的預緊力，對減小法蘭翼緣處的彎曲應力有利;在中心孔周邊增加卸載槽，可顯著減小中心孔處的應力集中現象。

(3)本文采用有限元法對傾斜缸缸底法蘭進行分析，比較全面的考慮了各種因素對其彎曲應力的影響，可為同類型結構的設計提供參考。

［1］ 陳嘉襄，楊宗煉．關于閥蓋彎曲應力的校核問題［J］．重型機械，1983(12):44－48．

［2］ 黃鐘，程源．機械強度與剛度計算［M］．呼和浩特:內蒙古人民出版社，1981．

［3］ 成大先．機械設計手冊第1卷，3版 ［M］．北京:化學工業出版社，1997．