Progettazione strutturale e analisi agli elementi finiti del cilindro di lavoro della grande pressa idraulica per forgiatura

1. Introduzione

Il cilindro di lavoro è un importante attuatore della macchina idraulica.Converte l'energia di pressione del liquido in energia meccanica.È diviso in tipo a stantuffo, tipo a pistone, tipo oscillante e tipo telescopico secondo il tipo di struttura.Il cilindro di lavoro della forgiatura 200MN pressa idraulica adotta un tipo a stantuffo, che ha una struttura semplice ed è facile da fabbricare.È una forma strutturale comunemente usata nelle grandi macchine idrauliche.Il tradizionale la teoria del design della pressa idraulica è la base principale per la progettazione strutturale del cilindro di lavoro.

ABAQUS è abile nella risoluzione di problemi complessi e ha realizzato un software di analisi agli elementi finiti leader a livello mondiale.È ampiamente utilizzato in macchinari, militari, chimici, automobilistici e altri settori industriali.Utilizzando ABAQUS per numericamente simulare il cilindro idraulico, è possibile determinare con precisione la distribuzione delle sollecitazioni del cilindro di lavoro e analizzare la razionalità del suo progetto strutturale.

2. Progettazione strutturale del cilindro di lavoro

Per risparmiare energia, in particolare per ridurre il consumo di energia, la pressa idraulica per forgiatura 200MN utilizza sei cilindri di lavoro su tre file.I 6 cilindri di lavoro possono generare 200 MN di pressione contemporaneamente e i 4 piccoli i cilindri di lavoro su entrambi i lati possono generare 80 MN di pressione e i 2 grandi cilindri di lavoro centrali possono generare 120 MN di pressione.I cilindri di lavoro con movimenti diversi possono generare 3 livelli di pressione e diversi i pezzi fucinati possono essere prodotti per selezionare il livello di pressione corrispondente, il che consente di risparmiare notevolmente sui costi.La struttura del corpo e la disposizione del cilindro di lavoro sono mostrate in Figura 1 e Figura 2.

Al fine di migliorare la durata del cilindro di lavoro, il design utilizza direttamente il bullone per fissare il blocco cilindri sulla trave superiore, ovvero viene utilizzato il supporto inferiore.Questo non solo migliora la rigidità e la resistenza della trave superiore, ma riduce anche lo stress della parete del cilindro del cilindro di lavoro.

La connessione a cerniera a sfera singola è adatta per il cursore e i quattro stantuffi del cilindro piccolo sul lato, e la connessione a cerniera a doppia sfera è il miglior metodo di connessione per il cursore e i due stantuffi del cilindro centrale, come mostrato in Figura 3a, b .

Quando la pressione di esercizio del cilindro di lavoro è superiore a 20 MPa, la forgiatura dell'acciaio al carbonio è la principale modalità di produzione del cilindro di lavoro.Il cilindro di lavoro della pressa idraulica di forgiatura 200MN funziona sotto l'alta pressione di 31,5 MPa e la struttura è grande, è difficile forgiare integralmente.Pertanto, è forgiato mediante saldatura di acciaio 35, è normalizzato e temprato e la sua resistenza allo snervamento è di 240 MPa.

Lo stantuffo ricambia nel cilindro e ha una grande influenza sull'usura del manicotto di guida e della guarnizione, quindi la superficie dello stantuffo deve avere una durezza sufficiente e una buona finitura superficiale.Per soddisfare questo requisito, lo stantuffo è generalmente realizzato in acciaio forgiato al carbonio ad alto tenore di carbonio e sottoposto a trattamento di irrobustimento superficiale dopo la lavorazione meccanica.Lo stantuffo della macchina idraulica è forgiato in acciaio 45.

La pressione di esercizio nominale del cilindro di lavoro intermedio è 120MN e il calcolo di progettazione dei suoi parametri strutturali è il seguente:

In base alla pressione totale nominale F(N) che il cilindro idraulico deve produrre e alla pressione di esercizio del liquido selezionata P (MPa), il diametro del pistone D è determinato dalla seguente formula:

Dalla formula (1), viene calcolato D=1557,7 mm e, dopo l'arrotondamento, viene preso D=1560 mm e il diametro interno D1 del cilindro idraulico viene collegato allo stantuffo.

È correlato allo spazio Δt della parete interna del cilindro ed è preferibile prendere 15 mm in base all'esperienza Δt.

Secondo la precedente formula (2), il diametro interno D1 del cilindro idraulico è determinato in 1590 mm.Secondo la formula empirica, il diametro esterno del cilindro idraulico D2 è:

[σ] prendere 120 MPa, secondo la formula precedente (2), trovare il diametro esterno D2 del cilindro idraulico è 2153 mm e secondo la formula:

r1———Raggio interno cilindro (mm)

r2———Raggio esterno del cilindro idraulico (mm)

Calcolato dall'equazione (4), r2≥1076.5mm, prendi D2=2*r2 = 2250mm.

Spessore fondo cilindro: t=(1.5~2)*(r2-r1) (5)

La pressione nominale dei quattro cilindri di lavoro laterali è di 80 MPa.Allo stesso modo, i parametri strutturali del cilindro di lavoro laterale possono essere ottenuti preliminarmente come segue:

Diametro pistone D=900mm, Δt=10mm, diametro interno cilindro idraulico D1=920mm, diametro esterno D2=1360mm, spessore fondo cilindro t=300mm.

3. Simulazione numerica e analisi dei risultati del cilindro di lavoro

Attualmente, la maggior parte dei cilindri idraulici utilizza l'algoritmo empirico della meccanica elastica.In base ai parametri di progettazione di base, i parametri di progettazione di base sono determinati con riferimento ai dati rilevanti e quindi alla resistenza la verifica viene eseguita secondo il modello meccanico semplificato.Tuttavia, a causa della complessa struttura del cilindro idraulico, è difficile stabilire modelli meccanici e matematici accurati, soprattutto nelle sollecitazioni zona di concentrazione.Utilizzando il metodo degli elementi finiti per calcolare il cilindro idraulico, è possibile determinare con precisione la distribuzione delle sollecitazioni del cilindro idraulico e quindi analizzare la razionalità del progetto strutturale.Il principale le dimensioni del cilindro di lavoro sono riportate in Figura 4.

3.1 Istituzione del modello agli elementi finiti

3.1.1 Modello strutturale e divisione unitaria

Per rendere il calcolo del cilindro di lavoro più vicino alla condizione di lavoro effettiva, i sei cilindri di lavoro sono assemblati con la trave superiore in base alle condizioni effettive.Considerando che la deformazione del trave inferiore ha scarso effetto sul cilindro di lavoro, il modello a colonna è intercettato a metà altezza.

Il tipo di griglia del cilindro di lavoro è selezionato come unità tetraedrica C3D4 e i dettagli del raccordo inferiore del cilindro, l'ingresso dell'olio e il foro filettato sono ingranati e suddivisi.I quattro cilindri laterali sono divisi in 940.000 unità, e la metà 2 I cilindri principali sono divisi in 1,2 milioni di unità.

3.1.2 Condizioni al contorno

(1) Una pressione uniforme di 31,5 MPa viene applicata alla superficie della parete interna del cilindro di lavoro e la pressione del liquido viene distribuita sotto la parete interna del cilindro di lavoro.

(2) Il coefficiente di attrito μ è impostato su 0,1 e il tipo di contatto è selezionato come contatto superficie-superficie standard.

(3) Impostare le proprietà del materiale del cilindro di lavoro: il coefficiente di Poisson λ è 0,3 e il modulo elastico E è 206.000 MPa.

(4) La leva del blocco della trave superiore è pre-serrata: φ200 mm (10 pezzi), la singola forza di pre-serraggio è impostata su 4000 kN e la modalità di pre-serraggio adotta il carico del bullone.

(5) Pre-serraggio dell'asta della colonna: la forza di pre-serraggio deve essere moderata e la forza di pre-serraggio distruggerà il tirante;al contrario, la parte di contatto della trave e della colonna sarà aperta a causa della pre-la forza di serraggio è troppo piccola.Il precarico complessivo è considerato pari a 1,4 volte la pressione nominale, 280MN è più adatto.Tra questi, il singolo precarico di 10 drawbar φ400mm è impostato a 17500kN;il singolo precarico di 12 drawbar φ320mm è impostato su 11200kN;il metodo di precarico utilizza il carico Bolt.

(6) La condizione al contorno della sezione solida è applicata alla sezione centrale della colonna.

Il suo modello numerico è mostrato in Figura 5:

3.2 Risultati e analisi della simulazione

Dopo il calcolo del modello numerico del cilindro di lavoro, viene osservata e analizzata la nuvola di stress equivalente del cilindro di lavoro.

3.2.1 Risultati della simulazione e analisi del cilindro di lavoro principale intermedio

Il cilindro di lavoro principale viene aperto per osservare la distribuzione delle sollecitazioni interne ed esterne del cilindro di lavoro.Il diagramma della nuvola di stress equivalente del cilindro di lavoro principale intermedio è mostrato nella Figura 6:

L'analisi della nuvola di distribuzione delle sollecitazioni equivalenti del cilindro di lavoro principale mostra i seguenti risultati:

(1) Il valore medio della distribuzione degli sforzi equivalenti in prossimità della luce di riempimento interna del cilindro di lavoro è il più elevato, compreso tra 105 e 120 MPa.Il punto più alto dello stress equivalente è 119 MP e la posizione è sul parete interna del cilindro di lavoro vicino alla parte inferiore della porta di riempimento del liquido.

(2) Il valore di sollecitazione equivalente della parete interna della parte cilindrica a pareti spesse del cilindro di lavoro è relativamente alto e la distribuzione della sollecitazione equivalente è relativamente uniforme tra 95 e 115 MPa.

(3) Il valore di sollecitazione equivalente nella parte inferiore del cilindro di lavoro è relativamente basso, compreso tra 68 e 85 MPa.

(4) La parete esterna della parte cilindrica a pareti spesse del cilindro di lavoro ha il valore di sollecitazione equivalente più basso e il valore di sollecitazione equivalente massimo è di soli 60 MP.

I risultati numerici mostrano che la massima sollecitazione equivalente del cilindro di lavoro principale si verifica vicino alla porta di riempimento del liquido della parete interna, il valore è 119MP e il materiale del cilindro del cilindro di lavoro 35 acciaio ha una resa resistenza di 240 MPa dopo il trattamento termico e il suo fattore di sicurezza è maggiore di 2. Si può inoltre dimostrare che la resistenza del cilindro di lavoro principale soddisfa i requisiti di progettazione.

3.2.2 Risultati della simulazione del cilindro di lavoro laterale

La Figura 7 mostra la nuvola di stress equivalente del cilindro laterale.

Viene eseguita l'analisi della nuvola di distribuzione delle sollecitazioni equivalenti del cilindro di lavoro laterale e si ottengono i seguenti risultati:

(1) La massima sollecitazione equivalente viene generata in prossimità della porta di riempimento del liquido e il suo valore di sollecitazione equivalente è 129,5 MPa.

(2) La distribuzione della sollecitazione equivalente della parte cilindrica a pareti spesse della parete interna del cilindro è relativamente uniforme e il valore della sollecitazione equivalente è più alto e il valore della sollecitazione equivalente è 85 ~ 110 MPa.

(3) La parete interna del cilindro di lavoro laterale e la superficie esterna del cilindro hanno una distribuzione uniforme della sollecitazione e la sollecitazione equivalente è bassa e il valore della sollecitazione equivalente è per lo più inferiore a 75 MPa.

Il materiale del cilindro di lavoro laterale è realizzato in acciaio 35.Dopo il trattamento termico, la resistenza allo snervamento è di 240 MPa.I risultati del calcolo numerico mostrano che la massima sollecitazione equivalente del cilindro di lavoro laterale è di 130 MPa e la sicurezza il fattore è calcolato in 1,85.Pertanto, la forza del cilindro di lavoro laterale soddisfa i requisiti di progettazione.

4. Conclusione

In questo documento, la tradizionale teoria del design della pressa idraulica viene utilizzata per calcolare il cilindro di lavoro della pressa idraulica forgiata da 200 MN mediante il calcolo della formula.Quindi il software di analisi agli elementi finiti ABAQUS viene utilizzato per modellare il assemblaggio del cilindro di lavoro in tre dimensioni e viene utilizzato per il calcolo della simulazione statica degli elementi finiti.Attraverso l'analisi della sollecitazione equivalente dei risultati della simulazione del cilindro di lavoro, la forza del lavoro cilindro soddisfa i requisiti di progettazione, il che dimostra ulteriormente che il risultato del calcolo della formula tradizionale è corretto e fattibile nelle specifiche di progettazione del cilindro di lavoro del cilindro idraulico.