液壓拉伸器關鍵結構有限元分析及設計

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

（湖南工程學院 機械工程學院，湘潭 411101）

0 引言

全自動液壓拉伸器是各種強化材料進行壓制成型的關鍵設備。目前大噸位全自動液壓拉伸器機架的結構型式，以三梁四柱式結構為主，經(jīng)有限元分析表明，在上梁和底座立柱孔內(nèi)側有較高應力，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力集中問題?？總鹘y(tǒng)的工藝裝備和裝配方法，壓機四根立柱拉伸量難以精確控制，導致各柱之間預緊力產(chǎn)生差異，最終使各立柱在工作狀態(tài)下受力不均，導致故障率頻發(fā)生，主要表現(xiàn)在：1）壓機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）立柱應力集中而斷裂。當其中有一個問題出現(xiàn)，將導致用戶整條生產(chǎn)線停產(chǎn)，增加了設備的維護費用。

1 液壓拉伸器設計方案

大噸位全自動液壓拉伸器機架的結構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，導致自動液壓壓磚機四立柱受力不均衡，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距結構設計，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緊力等因素，使拉緊立柱受純拉伸應力，預緊載荷精度＜2%，預緊力均勻，重復精度高，防松效果好。在裝配過程中，通過測量螺栓的伸長量，控制螺栓的軸向預緊力，能排除摩擦系數(shù)、接觸應力變形等因素的影響，特別適應于大功率，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、機床費用，具有操作簡單、安全、可靠、快速、易控制的優(yōu)點，為機械設備的安裝，檢修帶來更高的效率。為保證自動液壓壓磚機裝配后四立柱有足夠、均勻的預緊力，本課題所設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參數(shù)

圖1 超高壓液壓拉伸器設計圖

先將螺母套M320X4螺紋旋入已裝好的壓機立柱上，套上底座，調整好中心位置，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。當高壓軟管快換接頭連接油缸、氣驅液壓泵站后，開啟氣泵，高壓油進入油缸，活塞環(huán)由于高壓油的作用，緩慢向上提升，當液壓力達到預緊力時，關門閥門保壓，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，需按順序對角預緊，2-3次調整氣壓。采用兩只拉伸器時，對角同時預緊，以保證整個壓機受力均勻，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)調條件，則被上橫梁壓縮變形的減小量應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 高壓液壓拉伸器關鍵部件有限元分析

初步選定超高壓液壓拉伸器關鍵尺寸參數(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螺紋應力云圖

圖9 拉桿M320×4螺紋應力云圖（局部）

根據(jù)以上參數(shù)及具體結構設計，用Solidworks2007完成三維建模,結合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行了仿真分析與計算，結果如圖2～9所示。

通過仿真計算結果并對相關設計參數(shù)做如下優(yōu)化處理：1）油缸底面與兩側環(huán)面過渡圓角R3處應力較大，通過有限元分析修改成過渡圓角R8；2）當活塞環(huán)行程達到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構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)面最大應力為230Mpa，滿足設計要求；5）拉桿的過渡圓角R20改為R50，過渡圓角處最大應力將從576Mpa降低到379Mpa，有效降低局部應力集中；6）有限元分析結果與材料力學剛架模型計算結果相比有較大優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結果進行實際方案設計，獲得成功。

4 結束語

本設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力，預緊載荷精度高，預緊力均勻，防松效果好。具有操作簡單、快速、安全可靠、易控制的優(yōu)點，為機械設備的裝配，檢修帶來更高的效率。在實際設計過程中，液壓拉伸器配套件，如氣驅液壓泵、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。

[1] 劉俊杰,張征明,王敏雅.100WM高溫冷氣堆壓力容器主螺栓液壓拉伸器機[J].核動力工程,2002,12,21(6)：503-506.

[2] 陳就,羅明照.液壓自動壓磚機拉伸器的設計[J].佛山陶瓷,2002,3,12(3)：21-22.

[3] 第一汽車制造廠.機械工程材料手冊(上冊)[M].北京：機械工業(yè)出版社,1982.

[4] 龔志鈺.材料力學[M].北京：科學出版社,1999.

[5] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊(2005年新版)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005.