四柱液壓機(jī)主體改造研究

卜勻

(唐山學(xué)院，河北唐山063000)

某礦山修配廠主要從事煤礦機(jī)械專用設(shè)備及配件的制造、修理，冶金專用設(shè)備、建筑工程用機(jī)械及配件制造等業(yè)務(wù)。工廠的一臺(tái)四柱液壓機(jī)，應(yīng)用中液壓控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，而且立柱根部圓角處出現(xiàn)小裂紋。提出液壓機(jī)改造方案:液壓控制系統(tǒng)選用插裝閥改造的同時(shí)適當(dāng)增大公稱壓力，擴(kuò)大工作范圍，主機(jī)原有結(jié)構(gòu)是否能滿足強(qiáng)度要求。基于此，對(duì)主機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核分析，為改造設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

四柱式液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下:

公稱壓力:2 000 kN;液體最大工作壓力:25 MPa。改造參數(shù):液體最大工作壓力28 MPa 或32 MPa。

四柱式液壓機(jī)主體包括液壓缸、立柱、三橫梁三部分內(nèi)容，如圖1所示。液壓機(jī)各零部件材料性能參數(shù)見表1。

圖1 液壓機(jī)

表1 液壓機(jī)各零部件材料性能參數(shù)表

1 液壓缸缸體改造分析

1.1 液壓缸改造前分析

采用活塞式液壓缸，活塞桿與活動(dòng)橫梁的連接形式為剛性連接。主液壓缸主要尺寸:活塞直徑320 mm;活塞桿直徑280 mm;主缸壁厚5.5 cm;外徑430 mm。

液壓缸工作時(shí)高壓油作用于柱塞，反作用力作用在缸底，通過缸壁傳到法蘭部分，以均勻面力作用于法蘭上表面。液體壓力均勻分布于密封以上的液壓缸內(nèi)壁。由于液壓缸以法蘭支承，并用鎖緊螺母與橫梁聯(lián)接，法蘭表面各節(jié)點(diǎn)垂直方向自由度、周向自由度受到約束。

缸體對(duì)稱，在ANSYS 有限元軟件中建立1/2 缸體分析模型，選用SOLID185 單元類型，單元大小設(shè)置20 mm，進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。在缸體對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，在液壓缸法蘭與上橫梁接觸的環(huán)形面上施加X、Y、Z 三個(gè)方向的位移約束，在液壓缸的內(nèi)腔側(cè)壁、缸底面施加液體最大工作壓力25 MPa 的載荷，在液壓缸法蘭與上橫梁接觸的環(huán)形面施加2 000 kN的均布力。

液壓缸節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力云圖如圖2所示，在缸底內(nèi)圓弧偏下方部位存在部分高應(yīng)力，法蘭和缸體過渡圓弧部位為高應(yīng)力區(qū)，超過許用應(yīng)力范圍;內(nèi)腔側(cè)壁應(yīng)力較均勻;其他部位應(yīng)力值較小，均滿足材料的許用應(yīng)力;軸向最大拉應(yīng)力和最大主應(yīng)力出現(xiàn)在法蘭與缸體過渡處;液壓缸的最大變形量發(fā)生在液壓缸靠近缸底部分，節(jié)點(diǎn)最大位移在允許范圍之內(nèi)。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，法蘭和缸體過渡圓弧處強(qiáng)度條件不滿足。應(yīng)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，以期達(dá)到改造設(shè)計(jì)要求。

圖2 缸體節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖

1.2 液壓缸改造后分析

由于液壓缸法蘭和缸體過渡圓弧處強(qiáng)度條件不滿足，首先修改模型。方案一:增加法蘭和缸體接觸半徑，過渡半徑由1 mm 增加為4 mm;方案二:缸底過渡部分的半徑由30 mm 增大到36 mm;法蘭和缸體接觸半徑由4 mm 增加到25 mm。按上述兩種方案修改模型，在ANSYS 有限元軟件中分別建立1/4 缸體分析模型，劃分網(wǎng)格。施加約束，在液壓缸的內(nèi)腔側(cè)壁、缸底面施加液體最大工作壓力28 MPa 或32 MPa的載荷，在液壓缸法蘭與上橫梁接觸的環(huán)形面施加2 240或2 560 kN 的均布力。得到液壓缸改造前后應(yīng)力變化規(guī)律表(表2)，通過對(duì)比分析可得，按照方案二改造，液體壓力采用28MPa 時(shí)最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖3所示為液壓缸壓力28 MPa 應(yīng)力云圖。如果采用方案二中32 MPa 應(yīng)力稍大，法蘭與缸體過渡半徑還應(yīng)適當(dāng)增大。

表2 液壓缸改造前后對(duì)比表

圖3 缸體壓力28 MPa(方案二)應(yīng)力圖

2 立柱改造分析

立柱采用耐磨、易更換的圓柱面導(dǎo)套用導(dǎo)套法蘭固定在活動(dòng)橫梁上，之間夾有防塵氈墊。整體式螺母用螺釘鎖緊裝置防止螺母自行脫落。

建立立柱有限元模型，選用SOLID185 單元?jiǎng)澐肿杂删W(wǎng)格，對(duì)一個(gè)端面加以全約束，工作壓力25 MPa時(shí)，對(duì)另一端面施加均布載荷。立柱所受最大應(yīng)力集中在軸兩端螺紋退刀槽的根部。根據(jù)實(shí)際工作情況，立柱受疲勞載荷作用，通過疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算可得，45 鋼正火處理，應(yīng)力集中敏感系數(shù)取0.7，有效應(yīng)力集中系數(shù)為2，最大應(yīng)力為330 MPa。顯然，立柱結(jié)構(gòu)不安全，故實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂紋，需要改進(jìn)。改變參數(shù)同時(shí)提出改進(jìn)方法。方案一:加大立柱直徑，加大退刀槽根部過渡圓角半徑;方案二:根據(jù)實(shí)際情況，保持立柱直徑不變，加大退刀槽根部過渡圓角半徑，調(diào)整為5mm;方案三:立柱材料改為35CrMo，滿足強(qiáng)度條件。得到立柱改造后對(duì)比表3。方案一立柱直徑增加、強(qiáng)度加大，但同時(shí)涉及液壓機(jī)其他結(jié)構(gòu)的改變，特別是三橫梁結(jié)構(gòu)，不易采納。方案二沒有涉及對(duì)液壓機(jī)其他結(jié)構(gòu)的改變，只是改善立柱本身結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力減少，可做改造方案，如圖4所示。方案三35CrMo 材料本身強(qiáng)度較高，性能較好，成本高，可作為備選方案。

表3 立柱改造后位移應(yīng)力對(duì)比表

圖4 立柱28 MPa(方案二)應(yīng)力圖

3 橫梁改造分析

橫梁包括上橫梁、活動(dòng)橫梁和工作臺(tái)，均做成箱型，減輕質(zhì)量，中間按方格形或輻射形布置筋板。

建立1/4 上橫梁模型，選用SOLID185 單元類型，單元尺寸20 mm，劃分網(wǎng)格。上橫梁的結(jié)構(gòu)和所受載荷Y 向?qū)ΨQ，在結(jié)構(gòu)對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束;上橫梁、立柱、工作臺(tái)通過立柱和螺母連接，在螺母作用面上施加Z 向位移約束;上表面的左前角點(diǎn)施加X、Y 方向位移約束，限制剛體位移。液壓缸的工藝反力作用于上橫梁，以液壓機(jī)的公稱壓力2 000 kN 作為計(jì)算載荷，以均布力的形式作用在相關(guān)作用面上，由于受到偏心載荷影響，以1.2 倍載荷施加;液壓缸的重力作用在上表面的環(huán)形面上;橫梁重力作為載荷施加到機(jī)體上;橫梁與立柱支撐連接處受到的拉力。求解分析得到:應(yīng)力變化最大的部位分別在上橫梁的液壓缸孔、立柱孔下端、立柱上端與橫梁上表面過渡圓弧處，小于鑄鐵的許用應(yīng)力。上橫梁最大位移發(fā)生在上橫梁的液壓缸孔，小于上橫梁的許用值。改變液體工作壓力參數(shù)28 MPa，得到如圖5所示的應(yīng)力云圖。

圖5 上橫梁28 MPa 應(yīng)力圖

對(duì)1/4 活動(dòng)橫梁模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，在活動(dòng)橫梁的兩個(gè)截面上施加對(duì)稱約束，下端底面施加固定約束，在活動(dòng)橫梁上端面與活塞桿接觸部位施加均布載荷2 000 kN。在活動(dòng)橫梁上端與活塞桿接觸的部位位移最大，與活動(dòng)橫梁許用變化值相差很大，活動(dòng)橫梁的最大應(yīng)力發(fā)生在活塞腔內(nèi)過渡部分，活動(dòng)橫梁滿足設(shè)計(jì)要求。改變液體工作壓力參數(shù)28 MPa，得到如圖6所示應(yīng)力圖。

圖6 活動(dòng)橫梁28 MPa 應(yīng)力圖

在工作臺(tái)的兩截面上施加對(duì)稱約束，在工作臺(tái)下表面施加固定約束，取上表面2/3 的有效面積施加載荷2 000 kN。工作臺(tái)的最大應(yīng)力發(fā)生在工作臺(tái)的內(nèi)部筋板上。改變液體工作壓力參數(shù)28 MPa，得到如圖7所示應(yīng)力圖。

圖7 工作臺(tái)28 MPa 應(yīng)力圖

改變參數(shù)施加載荷，得到三橫梁工作壓力參數(shù)改變前后橫梁變化規(guī)律，如表4所示。對(duì)比可得:參數(shù)改變，最大應(yīng)力和最大變形均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，改造設(shè)計(jì)不需改變?nèi)龣M梁的結(jié)構(gòu)，可繼續(xù)應(yīng)用。

表4 壓力參數(shù)改變前后橫梁變化對(duì)比表

4 結(jié)論

利用有限元分析軟件完成液壓缸、立柱及三橫梁應(yīng)力和應(yīng)變分析，得到液壓機(jī)原液體工作壓力25 MPa 下的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。進(jìn)一步改變液體工作壓力，液壓缸分析結(jié)果表明:缸底過渡部分、法蘭和缸體接觸半徑部分存在安全隱患，應(yīng)加大過渡半徑;立柱存在安全性問題，由于改造要求盡量少地改變零件結(jié)構(gòu)，保持立柱直徑不變，加大退刀槽根部過渡圓角半徑，調(diào)整為5 mm;三橫梁計(jì)算及分析結(jié)果顯示均滿足設(shè)計(jì)要求，并有較大的余量，可以承受更大的力，原結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)應(yīng)用。研究結(jié)果表明:改造液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的同時(shí)，增加壓力至28 MPa 或32 MPa，對(duì)液壓缸缸體和立柱結(jié)構(gòu)適當(dāng)改進(jìn)，可以達(dá)到2 240 kN 或2 560 kN 的公稱壓力。研究結(jié)果為改造方案的實(shí)施奠定理論基礎(chǔ)，為液壓機(jī)性能的進(jìn)一步提高和發(fā)展提供了參考依據(jù)。

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