基于Solidworks Simulation的水液壓缸驅(qū)動(dòng)滑塊結(jié)構(gòu)的有限元分析

蔡 強(qiáng) 鞏 芳 張 燕

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，棗莊 277500）

引言

滑塊是高速精密壓力機(jī)最主要的執(zhí)行部件，常為液壓缸驅(qū)動(dòng)滑塊，與主缸活塞桿剛性連接。設(shè)計(jì)水液壓缸驅(qū)動(dòng)滑塊時(shí)，要求其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，且重心通過(guò)它的幾何中心線?；瑝K對(duì)強(qiáng)度和剛度要求很高，且重量也不宜過(guò)大，因?yàn)橹亓窟^(guò)大會(huì)增加滑塊的慣性量。因此，需要對(duì)滑塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，對(duì)質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足高剛度、低質(zhì)量的設(shè)計(jì)要求。

本文以四點(diǎn)壓力機(jī)為例，采用有限元法分析水液壓缸驅(qū)動(dòng)滑塊的結(jié)構(gòu)，并研究分析滑塊的四點(diǎn)間距對(duì)滑塊剛度的影響，最后對(duì)滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 滑塊的有限元分析

1.1 滑塊模型的建立

滑塊結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：滑塊底面積為2700mm×900mm，底板厚度為90mm，壁高為450mm，壁厚60mm；安裝連桿機(jī)構(gòu)的四個(gè)凸臺(tái)的軸線間距分別為600mm、900mm和600mm；滑塊材料采用球墨鑄鐵QT600-3。壓力機(jī)滑塊結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)為成箱型結(jié)構(gòu)，縱橫筋交錯(cuò)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在此采用Solidworks三維建模軟件進(jìn)行實(shí)體建模并劃分網(wǎng)格，模型如圖1所示。

圖1 滑塊有限元模型

1.2 邊界條件的施加

設(shè)計(jì)的公稱力為4000kN，但壓力機(jī)的實(shí)際沖裁能力應(yīng)達(dá)到或超過(guò)標(biāo)定沖壓力的1.2倍。所以，在距離滑塊底面各邊100mm以內(nèi)的面積區(qū)域即2500mm×700mm的區(qū)域內(nèi)，施加1.2倍公稱力的均布載荷。

圖2 滑塊應(yīng)力云圖

圖3 滑塊位移云圖

通過(guò)分析滑塊的受力情況，考慮導(dǎo)軌的約束作用，對(duì)滑塊上安裝連桿的四個(gè)凸臺(tái)端面僅約束其端面法向方向上的自由度。安裝四圓側(cè)導(dǎo)柱的孔，以約束其徑向和周向的位移，且軸向位移自由[1-2]。

1.3 有限元分析結(jié)果

滑塊的應(yīng)力云圖，如圖2所示。

由圖2可以看出，滑塊所受的應(yīng)力均比屈服應(yīng)力（600MPa）小得多，最大應(yīng)力為56.554MPa，位于中間兩個(gè)安裝連桿的凸臺(tái)處?；瑝K整體所受的應(yīng)力比較均勻，但中間兩個(gè)凸臺(tái)處應(yīng)力較高，可以在凸臺(tái)底部倒圓角，以降低應(yīng)力集中，使凸臺(tái)處應(yīng)力趨于均勻。

滑塊的位移云圖如圖3所示。

由圖3可以看出，滑塊的最大位移為0.1627mm，位于滑塊底面中心和兩邊緣的中心處?；瑝K底面的中心區(qū)域變形量較大，在長(zhǎng)度方向上以滑塊中心處為最高，然后向兩邊隨著距離的增大，變形量逐漸減小。

2 各點(diǎn)間距變化對(duì)滑塊剛度的影響

由圖3可知，滑塊中部的變形量過(guò)大。從滑塊的結(jié)構(gòu)上可以看出，中間兩個(gè)支撐的間距比較大，剛性較差；兩邊的兩個(gè)支撐間距較小，滑塊的變形不大。所以，滑塊的四點(diǎn)間距不同，對(duì)滑塊受力后的變形會(huì)有不同影響。可見(jiàn)，分析各點(diǎn)間距變化對(duì)滑塊剛度的影響，得出最佳間距對(duì)滑塊剛度的設(shè)計(jì)具有一定的意義。

2.1 中間兩支點(diǎn)間距變化

基于初始的有限元分析結(jié)果，建立以中間兩支撐的間距為變量的設(shè)計(jì)算例，設(shè)定中間兩支點(diǎn)之間距離的取值變化范圍為600～900mm，變化步長(zhǎng)為50mm，兩邊的兩個(gè)支撐的間距不變?yōu)?100mm。監(jiān)測(cè)滑塊受力后的變形量，然后對(duì)以上的設(shè)計(jì)算例運(yùn)用Solidworks Simulation中的設(shè)計(jì)算例功能進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，得出滑塊最大變形量隨中間兩點(diǎn)間距變化的趨勢(shì)曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，滑塊最大變形量隨著中間兩支點(diǎn)間距的增大而減小，但變化比較平緩。當(dāng)中間兩支點(diǎn)間距增加到一定數(shù)值時(shí)，滑塊的最大變形量會(huì)隨著中間兩支點(diǎn)間距的增大而急劇上升，所以存在一個(gè)最優(yōu)值。

圖4 滑塊最大變形量隨中間兩點(diǎn)間距變化趨勢(shì)曲線

2.2 兩邊兩支點(diǎn)間距變化

中間兩支撐間距定值為900mm。以兩邊的兩個(gè)支撐間距為變量，取其變化范圍為1800～2100mm，變化步長(zhǎng)為50mm，同時(shí)把滑塊受力后的變形量設(shè)置為只監(jiān)視，然后針對(duì)以上設(shè)計(jì)情形進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到滑塊最大變形量隨兩邊支點(diǎn)間距變化的趨勢(shì)曲線，如圖5所示。

圖5 滑塊最大變形量隨兩邊支點(diǎn)間距變化趨勢(shì)曲線

從圖5可以看出，滑塊最大變形量隨著兩邊支點(diǎn)間距變化的趨勢(shì)和滑塊最大變形量隨著中間間距變化的趨勢(shì)是一樣的，即先減小后增大，只是滑塊最大變形量隨兩邊支點(diǎn)間距變化的趨勢(shì)整體比較平緩。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用Solidworks Simulation對(duì)滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分析其應(yīng)力和位移分布規(guī)律，分析滑塊變形和應(yīng)力較大處。此外，分析各點(diǎn)間距變化對(duì)滑塊剛度的影響，可為對(duì)滑塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，以改進(jìn)滑塊的結(jié)構(gòu)性能。

[1]張瑾，張燕.SolidWorks在JB23-63開(kāi)式曲柄壓力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（10）：113-115.

[2]丁旺，丁武學(xué)，馮丙波.基于ADAMS的壓力機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32（11）：87-89.

[3]沈偉良.高速壓力機(jī)機(jī)身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2005，（10）：40-43.