閉式雙點(diǎn)5000kN壓力機(jī)油缸有限元優(yōu)化分析

劉 杰，張劍平，朱從武，韓 江，端武治

（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225128）

1 設(shè)計(jì)要求及分析目的

1.1 設(shè)計(jì)要求

①公稱壓力Pg=5000kN；②單個(gè)油缸內(nèi)壓強(qiáng)P=33.1227MPa；③許用應(yīng)力【σ】=142～236MPa。

1.2 分析目的

①驗(yàn)證油缸在給定載荷下，最大等效應(yīng)力σ是否滿足要求；②優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，提出合理化建議。

2 模型分析

2.1 模型特征

JB36-500型閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)采用閉式整體焊接機(jī)身。油缸安裝于滑塊內(nèi)，與活塞形成密閉區(qū)間，將高壓油鎖在油缸下底部，油缸上部分通過螺紋鎖緊傳遞力。以單個(gè)油缸為分析對(duì)象。模型如圖1所示。壓力機(jī)在工作過程中，油缸受到兩處作用，分別是：高壓油對(duì)油缸內(nèi)腔底面和部分側(cè)面的壓力P，鎖緊螺母對(duì)油缸向上的力F。鎖緊螺母對(duì)油缸的作用力F近似看成等于二分之一公稱壓力Pg，即F=2500kN，高壓油對(duì)油缸壁的壓強(qiáng)P=33.1227MPa。

圖1 油缸模型

在建模時(shí)為簡(jiǎn)化分析模型，特省略一些連接螺紋孔和公差帶引起的微小厚度差，這樣在不影響分析結(jié)果的前提下提高了分析效率。需要說明的是：模型的建立以及尺寸位置關(guān)系均以設(shè)計(jì)圖紙為參考。油缸材料及其物理參數(shù)如表1所示。

表1 油缸材料及其性能參數(shù)

2.2 模型結(jié)構(gòu)靜力分析

JB36-500在工作過程中，通過電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)將飛輪的動(dòng)能傳遞給滑塊，由滑塊帶動(dòng)模具對(duì)工件進(jìn)行沖裁，從而使坯料變形。

圖2 施加載荷和約束

以《曲柄壓力機(jī)》白皮書相關(guān)理論研究為基礎(chǔ)，以油缸實(shí)際受力狀態(tài)為依據(jù)，對(duì)油缸模型進(jìn)行有限元分析。油缸加載情況如圖2所示。其中螺紋傳遞的力F用均布載荷（Bearing Load）代替，大小為2500kN；壓強(qiáng)P（Pressure）作用在內(nèi)腔底面和側(cè)面，大小為33.1227MPa；對(duì)油缸底面添加固定約束（Fixed Support）。

3 等效應(yīng)力分析

基于建立的有限元分析模型，對(duì)油缸進(jìn)行有限元分析。如圖3所示為油缸等效應(yīng)力云圖（Equivalent Stress），由圖可見油缸最大等效應(yīng)力發(fā)生在螺紋退刀槽內(nèi)，靠近螺紋拉緊力一端，最大等效應(yīng)力值σ=325.56MPa，大于許用應(yīng)力值【σ】，不能滿足強(qiáng)度要求。

圖3 油缸等效應(yīng)力云圖

通過等效應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)油缸所受最大應(yīng)力發(fā)生在螺紋退刀槽處，如圖4所示，最大等效應(yīng)力值為325.56MPa，大于規(guī)定的許用應(yīng)力值【σ】。最大應(yīng)力位置與實(shí)際油缸斷裂位置吻合，由此可判定油缸的斷裂與退刀槽處應(yīng)力集中有關(guān)。

圖4 退刀槽處應(yīng)力集中

4 優(yōu)化方向

根據(jù)JB36-500閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)的實(shí)際工作狀況，建立了油缸在承受高壓油作用下的有限元模型，并在有限元軟件ANSYS Workbench中對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行仿真分析。通過分析發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論：

在給定載荷下，油缸最大等效應(yīng)力發(fā)生在螺紋退刀槽處，最大等效應(yīng)力值為325.56MPa，大于規(guī)定的許用應(yīng)力值【σ】，不能滿足強(qiáng)度要求。最大應(yīng)力位置與實(shí)際油缸斷裂位置吻合，由此可判定油缸的斷裂與退刀槽處應(yīng)力集中有關(guān)，故需對(duì)油缸構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小退刀槽處的應(yīng)力集中，延長(zhǎng)使用壽命。

5 零件優(yōu)化

5.1 尺寸優(yōu)化

在上述分析基礎(chǔ)上，將退刀槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)增大油缸壁厚，以延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命，提高資源利用率。

更改后模型如圖5所示，尺寸修改記錄如下：將油缸加厚，外圓尺寸由410mm增至440mm，相應(yīng)的密封槽直徑由401.4mm增至441.4mm；將退刀槽拐角處用圓弧過渡，尺寸見圖5。其余尺寸均未作任何修改。

圖5 模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

5.2 優(yōu)化模型分析

按優(yōu)化后的尺寸重新建模，加載和約束情況如前，經(jīng)求解器重新求解，得到優(yōu)化后的危險(xiǎn)截面等效應(yīng)力云圖，如圖6所示。

5.3 數(shù)據(jù)分析

圖6 優(yōu)化后油缸模型等效應(yīng)力云圖

由圖6可知，優(yōu)化后的模型最大等效應(yīng)力依然發(fā)生在退刀槽處，最大等效應(yīng)力值為191.43MPa，滿足強(qiáng)度要求，且較之前的325.56MPa下降了41.2%，強(qiáng)度得到很大提高。

6 結(jié)論

由數(shù)據(jù)分析可知，優(yōu)化后的油缸模型質(zhì)量為180.9kg，較之前高出26.8%，但強(qiáng)度得到很大提升，其中最大等效應(yīng)力下降了41.2%，故優(yōu)化方案理論上可行。