秦永紅，嚴建文，，董 娜，李貴閃，劉 瓊，楊 晨，王海明

（1.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232000；2.合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引言

目前，復合材料的模壓工藝均采用三梁四柱結(jié)構(gòu)液壓機，不僅制作成本高、結(jié)構(gòu)冗余、總高度過高、抗偏載系統(tǒng)薄弱或未設(shè)有抗偏載系統(tǒng)，使壓制出的零件厚度不均勻。國內(nèi)雙梁結(jié)構(gòu)液壓機的研發(fā)處于新興階段，尚未涉及到活動橫梁高度調(diào)節(jié)問題，使壓機無法適應復合材料模壓工藝生產(chǎn)線模具高度不同需要活動橫梁壓制高度不同的情況。

本文根據(jù)復合材料壓制工藝特性，設(shè)計一種雙梁四柱的新型液壓機結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)活動橫梁能配合不同模具高度調(diào)節(jié)位置，具有上下兩個抗偏載系統(tǒng)。

1 雙梁液壓機結(jié)構(gòu)

1.1 液壓機主要技術(shù)參數(shù)

雙梁液壓機主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 雙梁四柱液壓機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 雙梁液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1 所示，整機主要由活動橫梁、底梁、柵格立柱、工作缸、調(diào)平缸、柱塞推梁缸、安全鎖定裝置、導向系統(tǒng)、壓縮工作臺等重要部件組成[1]。機身結(jié)構(gòu)件采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。其中整體框架不同于傳統(tǒng)復合材料液壓機在于滿足液壓機強度、剛度要求的情況下，簡化掉上橫梁結(jié)構(gòu)。該液壓機以立柱作為連接機架，四根立柱的頂部共同安裝有活動橫梁，活動橫梁與四根立柱的交匯處均設(shè)有安全鎖定裝置，底梁的中部固定連接有主油缸，底梁上位于主油缸的四周兩兩對稱固定連接有四個調(diào)平油缸。通過設(shè)置對活動橫梁位置進行精確鎖定和解鎖的安全鎖定裝置，在對活動橫梁高度進行調(diào)節(jié)前后，受控將活動橫梁解鎖與鎖定，使得本裝置能夠適應不同高度的模具，安全鎖定裝置柵格鎖定與雙楔形導向套配合精確控制活動橫梁的平衡度與底梁上四缸調(diào)平系統(tǒng)共同組成雙抗偏載系統(tǒng)，使得壓制出的零件更為精密。工作油缸推動模具向上移動，與活動橫梁上模塊合模、鎖模從而實現(xiàn)工件模壓成形。

圖1 雙梁四柱液壓機結(jié)構(gòu)模型

1.3 模型的建立與簡化

雙梁四柱式液壓機各組成部件全部按照實際設(shè)計的實體模型建立。但機身結(jié)構(gòu)比較復雜，在Ansys中難以進行分析處理，所以需要對液壓機機身進行簡化處理：①由于整個液壓機除了油缸與立柱，底梁、滑塊、壓縮工作臺均為鋼板焊接而成，因此分析前對鋼板進行固連處理；②為了減小網(wǎng)格劃分的難度，提高計算時的收斂性，將一些螺栓及螺栓孔簡化掉，以及立柱上的柵格簡化成平面[2]為了提高計算效率、將橫梁上的夾具、模具、油缸及工件、工作臺均簡化掉，根據(jù)機架的實際工況施加約束、劃分單元。簡化后的網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 雙梁四柱液壓機簡化模型

1.4 材料的設(shè)置

機身結(jié)構(gòu)件采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，橫梁均為Q235結(jié)構(gòu)鋼，立柱材料為45 鋼，滿足設(shè)備受力需求。所有結(jié)構(gòu)件焊后進行高溫退火去應力處理[3]。有限元分析所需的材料參數(shù)如表2 所示。

表2 雙梁液壓機的材料參數(shù)

取安全系數(shù)為1.5，則Q235 鋼的許用應力為156MPa，45 鋼的許用應力為223MPa。

2 滿載工況下模型結(jié)構(gòu)分析

2.1 約束的設(shè)置與載荷的施加

導入Workbench 的裝配體自動生成固定接觸，然后再修改接觸類型，將底梁的上下表面與螺母以及立柱接觸設(shè)為固定接觸。本模型采用網(wǎng)格自動劃分。液壓機的主油缸固定在機身底梁的缸孔中，液壓機處于工作狀態(tài)時，由于主油缸內(nèi)壓作用，并通過力的傳遞使工作臺受到均勻向上的作用力。實際中，通常將壓力機的底面部分固定于地面上。所以在模擬過程中，將在機身的四個地腳螺栓孔處添加固定約束[4]。對液壓機滿載時的工況進行分析，滿載工況下的液壓機的載荷為5000kN 此時邊界與載荷施加情況如圖3 所示。

圖3 載荷施加與邊界條件

2.2 油缸安裝孔筋板結(jié)構(gòu)

工程上油缸安裝孔有兩種常用筋板結(jié)構(gòu)排布方式如圖4a、b，對兩種不同結(jié)構(gòu)分別進行強度校核。

圖4 筋板兩種常用排布結(jié)構(gòu)

由圖5 可知，滿載工況下，最大應力處在底梁上液壓缸安裝孔處，a 結(jié)構(gòu)最大應力為161MPa，超出了底梁結(jié)構(gòu)鋼Q235 的許用應力156MPa；b 結(jié)構(gòu)最大應力為115M，在強度允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)更加安全，因此選用b 作為油缸安裝孔的筋板排布方式。

圖5 兩種結(jié)構(gòu)下滿載應力對比圖

2.3 不同工況下有限元分析結(jié)果

為了明確液壓機結(jié)構(gòu)在實際工作情況下能否滿足工程要求，對液壓機整機進行有限元結(jié)構(gòu)分析通過有限元計算的變形與應力結(jié)果判斷液壓機的設(shè)計是否滿足工程要求。選擇液壓機的滿載工況進行分析。

將在SolidWorks 建立的液壓機三維模型導入ANSYS 中，在Workbench 模塊下進行靜應力分析[4，6]得到應力和變形分布情況。分別對在中心載荷、模具位置偏移200mm、模具傾斜10°三種不同工況下對模型強度和剛度校核，結(jié)果如圖6～8 所示。

圖6 中心載荷下機身應力及變形云圖

圖7 模具位置偏移500mm 機身應力及變形云圖

圖8 模具傾斜10°機身應力及變形云圖

由圖6～8 和表3 可見，在中心載荷和極限偏載工況下，該機最大應力140MPa、軸向最大變形0.77、最大應變0.0009。軸向變形許用值[f]=（0.3～0.5）P（MN），P 為液壓機公稱力=1.5[6]。應變范圍取±0.4[8]?？芍撘簤簷C結(jié)構(gòu)強度和剛度均符合工程標準。

表3 各部件結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

3 結(jié)論

（1）對液壓機結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，使用SolidWorks 建立雙梁液壓機結(jié)構(gòu)模型，采用ANSYS Workbench 對液壓機模型進行靜態(tài)有限元分析，得到了在中心載荷和兩種極限偏載工況下的機身應力和變形云圖，獲得強度和剛度都滿足工程標準的新型復合材料液壓機結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)復合材料液壓機輕量化。

（2）新型雙梁液壓機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了活動橫梁可配合模具高度調(diào)節(jié)位置的目的；解決了活動橫梁鎖定的難題；調(diào)平缸和珊格鎖定系統(tǒng)雙抗偏載使零件壓制更加均勻。對今后液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計具有參考意義。