液壓機(jī)滑塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其計算

摘要：在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中液壓機(jī)扮演著重要的角色，其工作介質(zhì)為液體，通過模具對制件施加壓力實現(xiàn)。而壓制工藝中最為關(guān)鍵的為滑塊，其不僅應(yīng)擁有較高的運動精度，還要具備良好的強(qiáng)度、剛度等條件，并且要結(jié)合實際情況，選取適合的滑塊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)及長度。文章介紹了液壓機(jī)滑塊的概況，闡述了其結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算。

關(guān)鍵詞：液壓機(jī)；滑塊；結(jié)構(gòu)設(shè)計；壓制工藝；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；有限元分析 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG315 文章編號：1009-2374（2016）36-0023-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.36.012

在市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，機(jī)械制造業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，其以鍛造工藝為基礎(chǔ)，通過鍛造改善了金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提高了其綜合性能。但隨著航空、建筑、汽車等行業(yè)的發(fā)展，其對原料性能的要求不斷增多，因此鍛造工藝應(yīng)積極改進(jìn)，鍛造液壓機(jī)應(yīng)不斷創(chuàng)新。特別是其滑塊，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計及算法優(yōu)化，以此滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，同時也可彰顯國防實力、科技水平。

1 液壓機(jī)滑塊的概況

液壓機(jī)根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為以下類型：以機(jī)架結(jié)構(gòu)為依據(jù)，可以分為組合、整體框架式以及單臂式；以用途與功能為標(biāo)準(zhǔn)，可以劃分為沖壓、專用、鍛造及打包液壓機(jī)；根據(jù)工作介質(zhì)可以分為水壓機(jī)與油壓機(jī)。

液壓機(jī)對工件的壓力加工主要是借助滑塊實現(xiàn)的，常為油缸驅(qū)動滑塊或者固定于滑塊上的模具。對于框架式液壓機(jī)而言，其滑塊基本均與主缸活塞桿剛性連接，設(shè)計其四角過程中安裝了可調(diào)節(jié)滑塊導(dǎo)軌，從運動學(xué)視角來看，滑塊與活塞桿受油缸、導(dǎo)軌面影響，僅可沿著導(dǎo)軌長度進(jìn)行活動。一般情況下，油缸固定在上橫梁上，活塞、油缸孔因精準(zhǔn)配合，因此難以調(diào)節(jié)。實踐中，導(dǎo)軌調(diào)整范圍應(yīng)滿足補(bǔ)償累積誤差對精度的影響，在此情況下，滑塊下平面對工作態(tài)度的不平行度級滑塊運動方向上對工作臺的不垂直度等精度，均要符合主機(jī)精度規(guī)定。從導(dǎo)軌受力視角而言，在機(jī)架受力變形后，導(dǎo)軌面可承受相應(yīng)的水平力，同時因偏心載荷影響下出現(xiàn)的水平位移，其也應(yīng)承受隨之出現(xiàn)的附加水平力。為了滿足上述要求，滑塊導(dǎo)軌面應(yīng)擁有一定的長度與寬度，以此確保導(dǎo)軌面上的比壓值處于合理范圍。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，液壓機(jī)處于精沖、冷擠壓或大臺面薄板沖壓情況下，為了確保導(dǎo)向精度，提高抗偏載能力，需要采取相應(yīng)的措施，具體如下：第一，滑塊導(dǎo)向尺寸加長，普通滑塊導(dǎo)向的長度及跨度比例范圍在0.3～0.6之間，實踐中大多數(shù)液壓機(jī)保持著1.2～2.0的比值，因?qū)蛎婷黠@加長，提高了導(dǎo)向精度，減少了偏心載荷情況下的導(dǎo)軌面擠壓應(yīng)力，隨之延長了液壓機(jī)滑塊使用時間，此方法可用于大噸位、小臺面液壓機(jī)，效果顯著；第二，滑塊導(dǎo)向尺寸加寬，上述方法的適應(yīng)范圍小，如果液壓機(jī)為大臺面，因其跨度過大，如果僅依賴滑塊導(dǎo)向尺寸增加，則難以滿足實際需求，并且要使其更為笨重。為了解決此問題，經(jīng)學(xué)者研究，提出了加寬方法，以此保證了導(dǎo)向及偏心載荷情況下的精度。

在對導(dǎo)軌進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)關(guān)注兩個問題：第一，導(dǎo)軌材料選取是否合理；第二，潤滑問題。此外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)軌耐磨性能，使其維修更加簡便，可在滑塊導(dǎo)軌上設(shè)計黃銅墊板或者膠木板，同時導(dǎo)軌應(yīng)使用45鋼進(jìn)行制造，并且在設(shè)計時要關(guān)注工藝中熱變形所造成的影響，觀察導(dǎo)軌間隙。

導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖具體分為以下五種：第一種為四角八面推拉式，其優(yōu)勢顯著，如簡單的結(jié)構(gòu)、便捷的調(diào)整、較小的機(jī)型等，但也存在不足，分別為較差的滑塊精度保持性、偏低的抗偏心載荷能力；第二種為四角八面斜楔式，其優(yōu)勢為便于調(diào)整，具有良好的精度保持性以及較高的抗偏心軸載荷能力，但缺點為結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，并且整機(jī)外形偏大，此形式進(jìn)可用于大臺面、大噸位的液壓機(jī)，并且其應(yīng)對抗偏心載荷能力有著較高的要求；第三種為四角八面推拉式結(jié)合四角八面斜楔式，它綜合了兩種形式的優(yōu)點，對各自的不足有所彌補(bǔ)；第四種為四角八面單面可調(diào)式，其優(yōu)勢為緊湊的結(jié)構(gòu)、便捷的調(diào)整及較小的機(jī)型，但缺點為對加工精度有著較高的要求，特別是立柱；第五種為X型，其主要適用于壓制工件需要加熱的液壓機(jī)，因?qū)嵺`中滑塊受多重因素的影響，如模具熱傳導(dǎo)、輻射熱等，其會在輻射方向發(fā)生膨脹變形，而利用X型導(dǎo)軌后，避免了熱變形，防止了導(dǎo)軌間隙，并會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，但此形式抗偏細(xì)載荷能力不足，同時從加工工藝角度來看也不夠理性。

2 液壓機(jī)滑塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其計算

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要是根據(jù)既有的設(shè)計參數(shù)，利用適合的優(yōu)化方法求解出符合全部約束條件的設(shè)計變量，并使目標(biāo)函數(shù)取最小或最大值。常見的優(yōu)化方法有三種，分別為：第一，拓?fù)鋬?yōu)化，主要是在已知的設(shè)計區(qū)域內(nèi)，給定邊界、外載荷等條件，以此了解結(jié)構(gòu)的最優(yōu)材料分布；第二，尺寸優(yōu)化，主要是在已知的結(jié)構(gòu)類型前提下，調(diào)整設(shè)計區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，以便于獲得最適合的尺寸；第三，性狀優(yōu)化，主要是在已知的結(jié)構(gòu)類型條件下，調(diào)整設(shè)計區(qū)域的邊界及性狀，從而了解最佳的邊界及性狀。近些年，結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題得到了學(xué)者的高度關(guān)注，但關(guān)于液壓機(jī)滑塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算研究較少，本研究以YQK-1250框架式液壓機(jī)為例，展開了深入

探討。

現(xiàn)階段，我國的框架式液壓機(jī)主要為拉桿預(yù)緊式，因此有關(guān)研究中均以此類液壓機(jī)為研究對象，本文選取的液壓機(jī)選用了楔塊作為預(yù)緊方式，與其他液壓機(jī)相比，其優(yōu)勢顯著，如機(jī)裝簡便、受力科學(xué)等。具體的工作流程如下：工作壓力來自于三個工作缸，通過液壓缸傳遞壓力，并運動至滑塊；壓邊力源于壓邊缸，通常壓邊缸固定在工作臺上。在此情況下，上模與下模經(jīng)合攏，在上下壓邊力的雙重支持下，實現(xiàn)了單向拉伸。在使用液壓機(jī)時，應(yīng)充分認(rèn)識其機(jī)身動態(tài)性能，還應(yīng)了解其滑塊的動態(tài)性能，主要是因滑塊直接連接著液壓缸及機(jī)身，二者連接剛度不牢固。液壓機(jī)的成型精度及效率等均受滑塊影響，如滑塊既有的振動頻率及振型等，因此對液壓機(jī)滑塊展開結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及計算是必要的。

2.2 滑塊有限元分析

多于眾多問題而言，如果采用傳統(tǒng)的解析法求解，因假設(shè)過多而影響結(jié)果精度。在現(xiàn)今技術(shù)支持下，特別是計算機(jī)技術(shù)，隨之出現(xiàn)了有限元法，其應(yīng)用日漸廣泛與普遍，將其用于各類問題中，獲得了近似解，其思想為化整為零、積零為整，對連續(xù)求解區(qū)域進(jìn)行離散，使其成為有限個單元的組合體，再構(gòu)建各單元有關(guān)的關(guān)系式，經(jīng)組合以便于處理相應(yīng)的場問題。有限元分析法常用于非線性分析以及較為復(fù)雜問題的求解，其具備豐富的功能，如動態(tài)、位移、熱傳導(dǎo)及準(zhǔn)靜態(tài)等分析，在機(jī)械、航空、汽車、化工等領(lǐng)域均扮演著重要的角色，得到了廣大學(xué)者及科研工作者的認(rèn)可與青睞。實際應(yīng)用中主要是使用專門的三維造型軟件，對結(jié)構(gòu)展開三維建模，通過有限元軟件及三維造型軟件間的接口，在有限元軟件中導(dǎo)入三維實體，同時劃分網(wǎng)格、添加載荷及邊界條件等，此后將獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)變力變位移云圖，結(jié)合模擬結(jié)構(gòu)，可對研究對象進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

關(guān)于滑塊的有限元分析：

第一步便是構(gòu)建滑塊有限元模型，研究中可采用不同的方法進(jìn)行構(gòu)造，如：三維CAD軟件，建立滑塊三維模型，將其導(dǎo)入到ANSYS，建立數(shù)值模型，在建模過程中應(yīng)盡可能地滿足滑塊的力學(xué)特征。有限元分析中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)便是網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格的類型、數(shù)量等均對計算成本、精度等有著直接的影響，在對滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分過程中，結(jié)合有限元的特點，可隨意選取大小、粗細(xì)的網(wǎng)格，但實踐中應(yīng)充分關(guān)注兩個因素，分別為計算成本與計算精度，以此保證網(wǎng)格劃分的合理性與有效性。此外在劃分時應(yīng)遵循以下原則：第一，對結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡化時要確保其符合基本的運算精度；第二，建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)具備針對性，不僅要具有較高的精度，還應(yīng)擁有較低的成本；第三，選用的網(wǎng)格單元類型應(yīng)合理，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力處于失真狀態(tài)?；瑝K的網(wǎng)格類型可以選用四面體單元C3D4，對網(wǎng)絡(luò)尺寸進(jìn)行細(xì)化處理，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，應(yīng)對其進(jìn)行全面檢查與進(jìn)一步優(yōu)化。邊界條件的施加情況如下：密度為7.88E3（kg/m3）、彈性模量為208GPa，屈服極限為236MPa，強(qiáng)度極限為426MPa，泊松比為0.29。對于滑塊而言，其運動時受液壓缸影響，同時其固定點處于滑塊和液壓缸相連處，因此在分析時需要利用6個自由度對滑塊與液壓缸進(jìn)行約束。如圖1所示：

第二步，分析模態(tài)結(jié)果，在分析滑塊模態(tài)過程中采用蘭索斯法，經(jīng)分析后，提取前八階的既有頻率與振型，具體的指標(biāo)如下：第一階到第八階的固有頻率分別為35.43Hz、36.43Hz、64.35Hz、114.32Hz、124.34Hz、130.42Hz、158.64Hz、312.45Hz，通過對振型的讀取可知，前三階振型可有效呈現(xiàn)滑塊的動態(tài)特征，因此對三者給予了重點研究。經(jīng)模態(tài)分析證實，第一階振型圍繞Z中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，該振型直接決定了滑塊的導(dǎo)向性，增加了滑塊與導(dǎo)柱間的接觸力，隨之影響了滑塊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的使用時間；第二階振型圍繞Y中心軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，此振型直接影響著主缸及側(cè)缸活塞桿，當(dāng)其水平一致性變化后，三個液壓缸便會出現(xiàn)歪斜問題；第三階振型圍繞X中心軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，此振型直接影響著工作臺上的平面及滑塊下的平面，使其平行度發(fā)生了改變，同時也對滑塊和立柱間的垂直度造成了一定影響。在此情況下，如果未能給予合理優(yōu)化與改進(jìn)，加工精度將降低、模具使用時間縮短。

2.3 優(yōu)化算法

優(yōu)化的對象主要有三個，分別為：第一，設(shè)計變量，其具有一定的獨立性，又稱自變量，通常每個自變量均有著上限值與下限值，并對值的變化范圍進(jìn)行了定義，最多情況下，自變量可有60個，其可同時處在ANSYS程序中，經(jīng)優(yōu)化后被設(shè)定，狀態(tài)變量，其為設(shè)計變量的函數(shù)，具有約束作用，通常其最多可達(dá)到100個，經(jīng)程序優(yōu)化后被設(shè)定；第二，目標(biāo)函數(shù)，其為設(shè)計變量的函數(shù)，如果設(shè)計變量值發(fā)生改變，則目標(biāo)函數(shù)值也會隨之改變，通常在程序優(yōu)化中僅有一個目標(biāo)函數(shù)被設(shè)定；第三，分析文件，其為命令流出文件，其處于整個分析過程中，體現(xiàn)在前處理、求解及后處理等各個方面。

優(yōu)化算法，在ANSYS中創(chuàng)建不同的優(yōu)化算法：一種為零階逼近法，又稱為零階法；另一種為一階法。第一種方法中涉及兩個關(guān)鍵涵義：其為目標(biāo)函數(shù)與狀態(tài)變量的逼近方法；其使約束問題轉(zhuǎn)變成了非約束問題。第二種方法與上述方法一致，二者均是向目標(biāo)函數(shù)增加懲罰函數(shù)后，實現(xiàn)了約束與否問題的轉(zhuǎn)換。該方法可使用因變量對設(shè)計變量的偏導(dǎo)數(shù)，在重復(fù)過程中，梯度計算搜索方向受最大斜度法及梯度計算法影響，此外非約束問題可借助直線搜索法使其達(dá)到最小化，利用一系列的子迭代，構(gòu)成了每次迭代過程，同時其中也涵蓋了搜索方向以及梯度計算。與第一種方法相比，后者的缺點明顯，即計算量多大，但經(jīng)嚴(yán)格計算后可獲得精準(zhǔn)的結(jié)果，少數(shù)情況下，精準(zhǔn)的結(jié)果未必表示獲得了最佳解。

具體的優(yōu)化流程如下：在ANSYS中展開優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化計算時，對設(shè)計變量與狀態(tài)變量等設(shè)置約束條件，同時設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)、循環(huán)控制模型以及最優(yōu)化方法等，此后結(jié)合假設(shè)條件構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，在此情況下便實現(xiàn)了問題的轉(zhuǎn)換，即：由約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)榉羌s束優(yōu)化問題，再給予迭代計算。在搜索時以約束空間內(nèi)的某一方向?qū)嵤S之會出現(xiàn)一系列的解；根據(jù)某一法則，提出新的設(shè)計變量，此后再進(jìn)行新一輪迭代計算。當(dāng)條件未能符合預(yù)先設(shè)定的值，則要繼續(xù)迭代計算，而如果條件符合設(shè)定值，則結(jié)束計算，并輸出結(jié)果。

2.4 滑塊質(zhì)量優(yōu)化

液壓機(jī)滑塊作為重要的組成部分，因頻繁使用，其受損頻率較高，同時其作為滑動部件及受力部分，應(yīng)對其質(zhì)量進(jìn)行積極的優(yōu)化與改進(jìn)。由于設(shè)計初期便確定了液壓機(jī)整體數(shù)據(jù)，因此設(shè)計過程中將已知的滑塊數(shù)據(jù)視為變量。經(jīng)分析證實，滑塊質(zhì)量改變主要受板位置及其厚度的影響，而其也受滑塊力學(xué)性能及動態(tài)性能影響。

關(guān)于滑塊的數(shù)學(xué)模型，第一，目標(biāo)函數(shù)，其作為滑塊質(zhì)量的最小值minM（x1，x2......xn），因質(zhì)量受體積、密度決定，即，因此在體積處于最小值的情況下，目標(biāo)質(zhì)量為最小值，在此情況下，優(yōu)化時僅關(guān)注最小體積即可；第二，設(shè)計變量，因滑塊質(zhì)量最小值與其厚度、長度、密度等有關(guān)，因此在設(shè)計數(shù)學(xué)模型的過程中，設(shè)計變量應(yīng)選取滑塊內(nèi)部各筋板的厚度，將各號筋板的厚度視為設(shè)計變量，初始值均為30、下限值均為20、上限值均為65；第三，狀態(tài)變量，其為設(shè)計變量函數(shù)，又稱因變量，對于任何液壓機(jī)而言，其構(gòu)造確定均應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計基本要求，即復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度等需求，狀態(tài)變量應(yīng)選取滑塊的最大應(yīng)變及最大應(yīng)力，結(jié)合常規(guī)橫梁剛度可知，單位跨度撓度應(yīng)低于0.2mm，滑塊寬度經(jīng)液壓機(jī)既有參數(shù)可知，其為4.5m，在此基礎(chǔ)上，滑塊撓度應(yīng)是0.9mm。

經(jīng)優(yōu)化結(jié)果對比可知，滑塊質(zhì)量明顯降低，下降幅度在1.5%左右，最大等效應(yīng)力有所增加，與優(yōu)化前對比，增長了約15.0%，同時整體應(yīng)力分布較為均勻，此外Z方向的位移約5.0%。總之，經(jīng)優(yōu)化處理，液壓機(jī)質(zhì)量減少，側(cè)面體現(xiàn)其應(yīng)力與撓度增大。

3 結(jié)語

綜上所述，液壓機(jī)滑塊作為重要的部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計情況直接影響著液壓機(jī)的使用效果。本文介紹了液壓機(jī)滑塊的概況，重點探討了其優(yōu)化設(shè)計及計算，通過有限元分析法及ANSYS軟件，構(gòu)建了相應(yīng)的模型，待優(yōu)化后獲得了最小質(zhì)量，同時其位移、應(yīng)力等分布也更加規(guī)律與均勻。

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作者簡介：李改華（1983-），女，河北邢臺人，北京中冶京唐重型裝備技術(shù)有限公司中級工程師，碩士，研究方向：重型裝備。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）