文/劉社英，秦紅兵·安陽(yáng)鍛壓機(jī)械工業(yè)有限公司

Y13-4000數(shù)控鍛造液壓機(jī)橫梁有限元分析

文/劉社英，秦紅兵·安陽(yáng)鍛壓機(jī)械工業(yè)有限公司

數(shù)控鍛造液壓機(jī)是一種智能化的中型鍛造設(shè)備，該種液壓機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作載荷和預(yù)應(yīng)力大。因此，設(shè)計(jì)中采用三維有限元分析方法。該方法針對(duì)鍛造液壓機(jī)的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算和力學(xué)分析，還可以進(jìn)行在承受載荷作用下的變形及工作應(yīng)力分析。有限元軟件SolidWorks分析了橫梁在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的受力和變形情況。結(jié)果表明，有限元分析過(guò)程比傳統(tǒng)的計(jì)算方法更簡(jiǎn)單、方便，是工程上解決應(yīng)力、應(yīng)變問(wèn)題的有效途徑。

Y13-4000數(shù)控鍛造液壓機(jī)是一種利用液體壓力來(lái)傳遞能量的全液壓控制的鍛造設(shè)備，是安陽(yáng)鍛壓機(jī)械工業(yè)有限公司于2008年開始著手開發(fā)的新產(chǎn)品。安陽(yáng)鍛壓機(jī)械工業(yè)有限公司通過(guò)實(shí)際考察，對(duì)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外數(shù)控鍛造液壓機(jī)進(jìn)行了調(diào)研，了解了其技術(shù)狀況，并結(jié)合實(shí)際使用需求開發(fā)了該產(chǎn)品。

安陽(yáng)鍛壓機(jī)械工業(yè)有限公司生產(chǎn)的Y13-4000數(shù)控鍛造液壓機(jī)于2009年12月通過(guò)了河南省科學(xué)技術(shù)廳的科技成果鑒定，并在2010年了獲得中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、安陽(yáng)市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，并獲得國(guó)家實(shí)用新型專利三項(xiàng)。該型液壓機(jī)輸出噸位大、鍛造能力強(qiáng)、鍛造頻次高、操作智能化，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低，其結(jié)構(gòu)形式為三梁四柱式，現(xiàn)以活動(dòng)橫梁為例，介紹傳統(tǒng)計(jì)算與SolidWorks有限元分析方法的不同。

活動(dòng)橫梁強(qiáng)度計(jì)算

活動(dòng)橫梁在一般工作情況下，不出現(xiàn)彎曲變形。但是，在空行程下極限位置時(shí)，橫梁支撐在限程套上，上砧懸空，活動(dòng)橫梁承受名義壓力的作用，梁的下平面承受拉應(yīng)力，上平面承受壓應(yīng)力，此時(shí)橫梁所受彎矩最大，工況最差。

應(yīng)力計(jì)算公式：

σ=Mmax/Wz＜ [σu]

式中 Mmax——最大彎矩，N·m；

Wz——抗彎截面系數(shù)；

[σu]——液壓機(jī)橫梁的許用應(yīng)力120MPa。

圖1 簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)

Mmax=0.25×P×B－PC×BC

式中 P——主缸壓力，N；

B——立柱中心距，m；

PC——每一側(cè)缸壓力，N；

BC——主缸與側(cè)缸之間距離，m。

Mmax=0.25×40×106×4.4-12.5×106×1.51

=25125000N·m

活動(dòng)橫梁的承壓為三個(gè)油缸球面墊和活動(dòng)梁承受，受力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

橫梁的危險(xiǎn)截面為中間截面，如圖2所示。

圖2 中間截面

橫梁的抗彎截面系數(shù)計(jì)算可將其轉(zhuǎn)化為工字梁計(jì)算，簡(jiǎn)化如圖3所示。

圖3 工字梁

工字梁的抗彎截面系數(shù)計(jì)算公式：

Wz=（B×H3－b×h3）/（6×H）

=（2.36×1.23－1.9×1.0353）÷（6×1.2）

=0.2739

實(shí)際應(yīng)力σ=Mmax/Wz

=25125000÷0.2739

=91.73MPa＜[σu]=120MPa

SolidWorks有限元分析方法

運(yùn)用SolidWorks中零件有限元分析功能，旋轉(zhuǎn)求解分析類型為靜態(tài)分析，運(yùn)用求解器控制，施加載荷和約束條件，約束定在有限元模型上的節(jié)點(diǎn)位移，即活動(dòng)橫梁與立柱的四個(gè)配合面，載荷面為活動(dòng)橫梁和三個(gè)球面墊的接觸面，主缸載荷大小為15MN，兩側(cè)缸載荷大小為12.5MN。分析后，得其靜態(tài)應(yīng)力如圖4所示。

其應(yīng)力大小顯示為95.99MPa，略大于計(jì)算得的91.73MPa，可見兩種算法得出的結(jié)論是一致的。這種狀態(tài)是在工況最惡劣的情況下得出的，在一般情況下鍛造時(shí)，所受的應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此最大值，活動(dòng)橫梁是滿足要求的。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)以上兩種方法可以看出，SolidWorks具有很強(qiáng)的靜態(tài)、模態(tài)和瞬態(tài)分析，能準(zhǔn)確地完成各種分析和計(jì)算。運(yùn)用SolidWorks有限元分析鍛造液壓機(jī)橫梁的應(yīng)力、應(yīng)變問(wèn)題，比傳統(tǒng)的計(jì)算方法要快捷、簡(jiǎn)單的多，而且更準(zhǔn)確，能很好地完成大量的計(jì)算任務(wù)，是工程上解決應(yīng)力、應(yīng)變問(wèn)題的有效途徑。

劉社英，工程師，主要從事液壓機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

圖4 靜態(tài)應(yīng)力