缸梁一體式壓力機(jī)變形及應(yīng)力分析

王 強(qiáng)，孫友松，戴 昆，王仲仁

（1.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510090；3.青島宙慶工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266111；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

缸梁一體式壓力機(jī)變形及應(yīng)力分析

王 強(qiáng)1，孫友松2，戴 昆3，王仲仁4

（1.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510090；3.青島宙慶工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司，山東 青島 266111；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

概述了缸梁一體式壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)。分析了51.9MN主機(jī)上球冠的彈性位移，在不考慮機(jī)身或立柱彈性變形的前提下，上球冠變形的數(shù)量級(jí)為1mm左右，與同噸位傳統(tǒng)三梁四柱式液壓機(jī)的變形數(shù)量級(jí)相當(dāng)。文章以10.5MN主機(jī)為對(duì)象，采用有限元方法，分析并獲得了主機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，提出了改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路。

機(jī)械制造；缸梁一體液壓機(jī)；結(jié)構(gòu)；工作原理；應(yīng)力分析

1 引言

缸梁一體式壓力機(jī)是由王仲仁教授提出的一種全新壓力機(jī)[1]，主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)器液壓缸與上橫梁采用半球形殼體一體化結(jié)構(gòu)，下部直接與機(jī)身相連，滑塊受柱塞驅(qū)動(dòng)下行，省去了受力復(fù)雜且很重的上橫梁，實(shí)現(xiàn)了缸梁合一。下梁亦可采用相同結(jié)構(gòu)的半球形殼體，其上固定工作臺(tái)。上球殼與下球殼之間采用圓筒狀結(jié)構(gòu)機(jī)身，圓筒中開孔，可進(jìn)行模具裝卸與生產(chǎn)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(jī)能夠達(dá)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(jī)公稱力可達(dá)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(dá)900MN。

表1 缸梁一體式壓力機(jī)公稱力、半球缸直徑與球殼壁厚

缸梁一體式壓力機(jī)具有以下特點(diǎn)：

（1）由于缸梁合一，可大幅度減小壓力機(jī)的高度。

（2）由于半球形殼體結(jié)構(gòu)材料承受均勻的拉應(yīng)力，材料利用率高，整機(jī)質(zhì)量可降低1/3～1/2，機(jī)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(tǒng)液壓機(jī)主油缸的直徑遠(yuǎn)小于橫梁尺寸。因此，對(duì)于同樣的主機(jī)外形尺寸，缸梁一體壓力機(jī)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(jī)。

采用半球形殼體取代傳統(tǒng)液壓機(jī)中的上橫梁與液壓缸，徹底改變了傳統(tǒng)的三梁四柱結(jié)構(gòu)，為制造大型與超大型液壓機(jī)提供一個(gè)新思路，是對(duì)傳統(tǒng)液壓機(jī)制造理念的根本性變革。本文擬對(duì)缸梁一體式壓力機(jī)工作狀態(tài)下的變形及應(yīng)力分布開展研究，旨在為后期的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 變形分析

2.1 三梁四柱式液壓機(jī)的變形

傳統(tǒng)液壓機(jī)通常采用三梁四柱結(jié)構(gòu)，在工作載荷作用下，機(jī)身發(fā)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(zhǎng)量、立柱或機(jī)身的彈性伸長(zhǎng)量。

以公稱力51.9MN的三梁四柱式液壓機(jī)為例，液體工作壓力20MPa，上橫梁跨度4.5m，液壓缸內(nèi)徑1.8m，按照文獻(xiàn)[2]給出的計(jì)算方法，上橫梁的撓度為0.15×4.5=0.675mm。取液壓缸體長(zhǎng)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(jī)總的變形量為1.125mm。

2.2 缸梁一體式壓力機(jī)的變形

缸梁一體式壓力機(jī)的液壓缸與上橫梁為一體化半球形殼體結(jié)構(gòu)，主機(jī)的彈性變形包括上球冠的彈性位移、機(jī)身的彈性伸長(zhǎng)量。上球冠的變形對(duì)主機(jī)產(chǎn)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(duì)比，計(jì)算模型取相同的主機(jī)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(jìn)行計(jì)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(jī)上球冠的彈性位移

2.3 對(duì)比

上述計(jì)算結(jié)果表明，在不考慮機(jī)身或立柱彈性變形的前提下，缸梁一體式壓力機(jī)工作時(shí)上球冠變形的數(shù)量級(jí)為1mm左右，與同噸位三梁四柱式液壓機(jī)的變形數(shù)量級(jí)相當(dāng)。

3 應(yīng)力分析

3.1 分析對(duì)象

分析對(duì)象選擇公稱力10.5MN缸梁一體式壓力機(jī)，機(jī)器主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 10.5MN缸梁一體式壓力機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 分析模型

采用有限元分析方法，選擇實(shí)體單元和殼單元，忽略螺栓等部分細(xì)節(jié)，網(wǎng)格劃分后的主機(jī)分析模型如圖3所示。

3.3 結(jié)果與分析

圖4、圖5給出了10.5MN缸梁一體式壓力機(jī)工作狀態(tài)下的等效應(yīng)力分布情況，從總體上看，等效應(yīng)力數(shù)值不高。

由圖4可以看出，有以下兩處應(yīng)力偏高，一是在半球與長(zhǎng)頸法蘭連接處由于構(gòu)件剛度突變?cè)诮雍喜堪肭蛞粋?cè)存在較大的徑向剪應(yīng)力，沿經(jīng)線及緯線方向均存在較高的拉應(yīng)力，導(dǎo)致等效應(yīng)力明顯高于相鄰區(qū)域的數(shù)值，在該處的設(shè)計(jì)需要考慮剛度的平緩過渡；二是在機(jī)身窗口的圓角連接部位由于上下橫截面急劇變化導(dǎo)致該處應(yīng)力高于機(jī)身其他部位，該處應(yīng)進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)。

4 結(jié)論

（1）51.9MN缸梁一體式壓力機(jī)上球冠變形的數(shù)量級(jí)為1mm左右，在不考慮機(jī)身或立柱彈性變形的前提下，與同噸位傳統(tǒng)三梁四柱式液壓機(jī)的變形數(shù)量級(jí)相當(dāng)。

（2）在工作狀態(tài)下，10.5MN缸梁一體式壓力機(jī)等效應(yīng)力分布均勻且數(shù)值不高。半球與長(zhǎng)頸法蘭連接處、機(jī)身窗口圓角連接處需進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

[1]王仲仁，苑世劍，王小松，等.缸梁一體式壓力機(jī).中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?010105026885，2010-10-05.

[2]俞新陸.液壓機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004：156.[3]王仲仁，張 琦.省力與近均勻成形—原理與應(yīng)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(qiáng)（1963-），男，博士，教授，從事塑性加工技術(shù)的教學(xué)與研究