Strukturdesign und Finite-Elemente-Analyse des Arbeitszylinders einer großen hydraulischen Schmiedepresse

1. Einleitung

Der Arbeitszylinder ist ein wichtiger Aktuator der hydraulischen Maschine.Er wandelt die Druckenergie der Flüssigkeit in mechanische Energie um.Es wird entsprechend in Kolbentyp, Kolbentyp, Schwenktyp und Teleskoptyp unterteilt Strukturtyp.Der Arbeitszylinder der 200MN-Schmiede Hydraulikpresse nimmt einen Kolbentyp an, der eine einfache Struktur hat und leicht herzustellen ist.Es ist eine Bauform, die üblicherweise bei großen hydraulischen Maschinen verwendet wird.Das traditionelle Die Konstruktionstheorie der hydraulischen Presse ist die Hauptgrundlage für die konstruktive Gestaltung des Arbeitszylinders.

ABAQUS ist in der Lage, komplexe Probleme zu lösen und hat eine weltweit führende Finite-Elemente-Analysesoftware entwickelt.Es ist weit verbreitet in Maschinen-, Militär-, Chemie-, Automobil- und anderen Industriebereichen.Mit ABAQUS numerisch Simulation des Hydraulikzylinders kann die Spannungsverteilung des Arbeitszylinders genau bestimmt und die Rationalität seiner konstruktiven Auslegung analysiert werden.

2. Konstruktiver Aufbau des Arbeitszylinders

Um Energie zu sparen, insbesondere um den Stromverbrauch zu senken, verwendet die 200-MN-Schmiedehydraulikpresse sechs Arbeitszylinder in drei Reihen.Die 6 Arbeitszylinder können gleichzeitig 200 MN Druck erzeugen, und die 4 kleinen Arbeitszylinder auf beiden Seiten können 80 MN Druck erzeugen, und die mittleren 2 großen Arbeitszylinder können 120 MN Druck erzeugen.Die Arbeitszylinder mit unterschiedlichen Bewegungen können 3 und unterschiedliche Druckstufen erzeugen Schmiedestücke können hergestellt werden, um das entsprechende Druckniveau zu wählen, was die Kosten erheblich spart.Der Aufbau des Körpers und die Anordnung des Arbeitszylinders sind in Bild 1 und Bild 2 dargestellt.

Um die Lebensdauer des Arbeitszylinders zu verbessern, verwendet die Konstruktion direkt die Schraube, um den Zylinderblock am oberen Balken zu befestigen, dh die untere Stütze wird verwendet.Dies verbessert nicht nur die Steifigkeit und Festigkeit des oberen Trägers, sondern reduziert auch die Zylinderwandspannung des Arbeitszylinders.

Die einfache Kugelscharnierverbindung ist für den Schieber und die vier kleinen Zylinderstößel an der Seite geeignet, und die doppelte Kugelscharnierverbindung ist die beste Verbindungsmethode für den Schieber und die mittleren beiden Hauptzylinderstößel. wie in Bild 3a, b gezeigt.

Wenn der Arbeitsdruck des Arbeitszylinders höher als 20 MPa ist, ist das Schmieden von Kohlenstoffstahl die Hauptproduktionsart des Arbeitszylinders.Der Arbeitszylinder der 200-MN-Schmiedehydraulikpresse arbeitet unter hohem Druck 31,5 MPa, und die Struktur ist groß, es ist schwierig, einstückig zu schmieden.Daher wird es durch Schweißen von 35-Stahl geschmiedet und normalisiert und angelassen, und seine Streckgrenze beträgt 240 MPa.

Der Kolben bewegt sich im Zylinder hin und her und hat einen großen Einfluss auf den Verschleiß der Führungshülse und der Dichtung, daher muss die Kolbenoberfläche eine ausreichende Härte und eine gute Oberflächengüte aufweisen.Um diese Anforderung zu erfüllen, ist der Stößel wird im Allgemeinen aus geschmiedetem Kohlenstoffstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt und nach der Bearbeitung einer Oberflächenverfestigungsbehandlung unterzogen.Der Stößel der hydraulischen Maschine ist aus 45er Stahl geschmiedet.

Der Nennarbeitsdruck des Zwischenarbeitszylinders beträgt 120 MN, und die Konstruktionsberechnung seiner strukturellen Parameter lautet wie folgt:

Je nach dem Nenngesamtdruck F(N), den der Hydraulikzylinder erzeugen soll, und dem gewählten Betriebsdruck der Flüssigkeit P (MPa), wird der Kolbendurchmesser D nach folgender Formel bestimmt:

Aus Formel (1) wird D = 1557,7 mm berechnet, und nach dem Runden wird D = 1560 mm genommen, und der Innendurchmesser D1 des Hydraulikzylinders wird mit dem Kolben verbunden.

Er bezieht sich auf den Spalt Δt der Innenwand des Zylinders, und es ist bevorzugt, 15 mm gemäß der Erfahrung Δt zu nehmen.

Gemäß der obigen Formel (2) wird der Innendurchmesser D1 des Hydraulikzylinders auf 1590 mm bestimmt.Der Hydraulikzylinder-Außendurchmesser D2 beträgt nach der Summenformel:

[σ] Nehmen Sie 120 MPa, finden Sie gemäß der obigen Formel (2), dass der Außendurchmesser D2 des Hydraulikzylinders 2153 mm beträgt, und gemäß der Formel:

r1———Zylinderinnenradius (mm)

r2———Außenradius des Hydraulikzylinders (mm)

Berechnet durch Gleichung (4), r2≥1076,5 mm, nehmen Sie D2=2*r2 = 2250 mm.

Dicke des Zylinderbodens: t=(1,5~2)*(r2-r1) (5)

Der Nenndruck der vier seitlichen Arbeitszylinder beträgt 80 MPa.In ähnlicher Weise können die strukturellen Parameter des Seitenarbeitszylinders vorläufig wie folgt erhalten werden:

Kolbendurchmesser D = 900 mm, Δt = 10 mm, Hydraulikzylinder-Innendurchmesser D1 = 920 mm, Außendurchmesser D2 = 1360 mm, Zylinderbodendicke t = 300 mm.

3. Numerische Simulation und Ergebnisanalyse des Arbeitszylinders

Derzeit verwenden die meisten Hydraulikzylinder den empirischen Algorithmus der elastischen Mechanik.Gemäß den grundlegenden Konstruktionsparametern werden die grundlegenden Konstruktionsparameter unter Bezugnahme auf relevante Daten und dann die Festigkeit bestimmt Die Prüfung erfolgt nach dem vereinfachten mechanischen Modell.Aufgrund der komplexen Struktur des Hydraulikzylinders ist es jedoch schwierig, genaue mechanische und mathematische Modelle zu erstellen, insbesondere bei Belastung Konzentrationszone.Unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode zur Berechnung des Hydraulikzylinders kann die Spannungsverteilung des Hydraulikzylinders genau bestimmt werden, und dann wird die strukturelle Konstruktionsrationalität analysiert.Die wichtigsten Abmessungen des Arbeitszylinders sind in Bild 4 dargestellt.

3.1 Erstellung des Finite-Elemente-Modells

3.1.1 Strukturmodell und Einheiteneinteilung

Um die Berechnung des Arbeitszylinders näher an den tatsächlichen Arbeitszustand zu bringen, werden die sechs Arbeitszylinder entsprechend den tatsächlichen Bedingungen mit dem oberen Balken zusammengebaut.In Anbetracht dessen, dass die Verformung der Unterbalken hat wenig Einfluss auf den Arbeitszylinder, das Säulenmodell wird auf halber Höhe abgefangen.

Als Arbeitszylinder-Gittertyp wird die tetraedrische Einheit C3D4 gewählt, und die Details der Zylinderbodenverrundung, des Öleinlasses und der Gewindebohrung werden ineinandergreifend und unterteilt.Die vier seitlichen Zylinder sind in 940.000 unterteilt Einheiten und die mittleren 2 Hauptbremszylinder sind in 1,2 Millionen Einheiten unterteilt.

3.1.2 Randbedingungen

(1) Ein gleichmäßiger Druck von 31,5 MPa wird auf die Innenwandfläche des Arbeitszylinders aufgebracht und der Flüssigkeitsdruck wird unterhalb der Innenwand des Arbeitszylinders verteilt.

(2) Der Reibungskoeffizient μ wird auf 0,1 eingestellt, und der Kontakttyp wird als Standard-Oberfläche-Oberfläche-Kontakt ausgewählt.

(3) Stellen Sie die Materialeigenschaften des Arbeitszylinders ein: Die Querkontraktionszahl λ beträgt 0,3 und der Elastizitätsmodul E beträgt 206.000 MPa.

(4) Der Blockierhebel des oberen Balkens ist vorgespannt: φ200 mm (10 Stück), die einzelne Vorspannkraft ist auf 4000 kN eingestellt und der Vorspannmodus übernimmt die Schraubenlast.

(5) Vorspannen der Säulenstange: Die Vorspannkraft sollte moderat sein, und die Vorspannkraft zerstört die Spurstange;im Gegenteil, der Kontaktteil des Balkens und der Säule werden aufgrund der Vorspannung geöffnet.Anziehkraft zu klein.Als Gesamtvorspannung wird das 1,4-fache des Nenndrucks angenommen, besser geeignet sind 280 MN.Darunter ist die einzelne Vorspannung von 10 Zugstangen mit 400 mm Durchmesser auf 17500 kN eingestellt;die einzelne Vorspannung von 12 φ320mm Zugstangen ist auf 11200 kN eingestellt;Die Vorspannmethode verwendet Schraubenlast.

(6) Die Randbedingung des massiven Querschnitts wird auf den mittleren Abschnitt der Stütze angewendet.

Sein numerisches Modell ist in Bild 5 dargestellt:

3.2 Simulationsergebnisse und Analyse

Nach der Berechnung des numerischen Modells des Arbeitszylinders wird die äquivalente Spannungswolke des Arbeitszylinders betrachtet und analysiert.

3.2.1 Simulationsergebnisse und Analyse des mittleren Hauptarbeitszylinders

Der Hauptarbeitszylinder wird aufgeschnitten, um die innere und äußere Spannungsverteilung des Arbeitszylinders zu beobachten.Das äquivalente Spannungswolkendiagramm des mittleren Hauptarbeitszylinders ist in Bild 6 dargestellt:

Die Analyse der Vergleichsspannungsverteilungswolke des Hauptarbeitszylinders zeigt folgende Ergebnisse:

(1) Der Mittelwert der Vergleichsspannungsverteilung in der Nähe der inneren Einfüllöffnung des Arbeitszylinders ist am höchsten, zwischen 105 und 120 MPa.Der höchste Punkt der Vergleichsspannung liegt bei 119 MP, und die Position ist auf der Innenwand des Arbeitszylinders in der Nähe des unteren Teils der Flüssigkeitseinfüllöffnung.

(2) Der Vergleichsspannungswert der Innenwand des dickwandigen zylindrischen Teils des Arbeitszylinders ist relativ hoch, und die Vergleichsspannungsverteilung ist zwischen 95 und 115 MPa relativ gleichmäßig.

(3) Der Vergleichsspannungswert am Boden des Arbeitszylinders ist relativ niedrig und liegt zwischen 68 und 85 MPa.

(4) Die Außenwand des dickwandigen zylindrischen Teils des Arbeitszylinders hat den niedrigsten äquivalenten Spannungswert und der maximale äquivalente Spannungswert beträgt nur 60 MP.

Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass die maximale äquivalente Spannung des Hauptarbeitszylinders in der Nähe der Flüssigkeitseinfüllöffnung der Innenwand auftritt, der Wert 119 MP beträgt und das Arbeitszylinder-Zylindermaterial 35 Stahl nachgibt Festigkeit von 240 MPa nach der Wärmebehandlung, und sein Sicherheitsfaktor ist größer als 2. Es kann weiter nachgewiesen werden, dass die Festigkeit des Hauptarbeitszylinders den Konstruktionsanforderungen entspricht.

3.2.2 Simulationsergebnisse des Seitenarbeitszylinders

Bild 7 zeigt die Vergleichsspannungswolke des Seitenzylinders.

Die Analyse der Vergleichsspannungsverteilungswolke des seitlichen Arbeitszylinders wird durchgeführt und die folgenden Ergebnisse erhalten:

(1) Die maximale äquivalente Spannung wird in der Nähe der Flüssigkeitseinfüllöffnung erzeugt und ihr äquivalenter Spannungswert beträgt 129,5 MPa.

(2) Die äquivalente Spannungsverteilung des dickwandigen zylindrischen Teils der Innenwand des Zylinders ist relativ gleichmäßig und der äquivalente Spannungswert ist höher und der äquivalente Spannungswert beträgt 85 bis 110 MPa.

(3) Die Innenwand des Seitenarbeitszylinders und die Außenfläche des Zylinders haben eine gleichmäßige Spannungsverteilung, und die äquivalente Spannung ist niedrig, und der äquivalente Spannungswert liegt meistens unter 75 MPa.

Das Material des Seitenarbeitszylinders besteht aus 35 Stahl.Nach der Wärmebehandlung beträgt die Streckgrenze 240 MPa.Die numerischen Berechnungsergebnisse zeigen, dass die maximale äquivalente Spannung des Seitenarbeitszylinders 130 MPa und die Sicherheit beträgt Faktor errechnet sich zu 1,85.Daher erfüllt die Festigkeit des Seitenarbeitszylinders die Konstruktionsanforderungen.

4. Fazit

In diesem Artikel wird die traditionelle Konstruktionstheorie der hydraulischen Presse verwendet, um den Arbeitszylinder der hydraulischen Schmiedepresse mit 200 MN durch Formelberechnung zu berechnen.Dann wird die Finite-Elemente-Analyse-Software ABAQUS verwendet, um die zu modellieren Arbeitszylinderanordnung in drei Dimensionen, und es wird für statische Finite-Elemente-Simulationsberechnungen verwendet.Durch die Analyse der Vergleichsspannung der Arbeitszylindersimulation ergibt sich die Festigkeit des Arbeitszylinders Zylinder erfüllt die Konstruktionsanforderungen, was weiter beweist, dass das Berechnungsergebnis der traditionellen Formel in der Konstruktionsspezifikation des Hydraulikzylinder-Arbeitszylinders korrekt und durchführbar ist.