張欣達

（西山煤電（集團）山西支護器材開發(fā)有限責任公司， 山西 太原 030053）

引言

鍛壓設(shè)備在機械行業(yè)中占據(jù)相當重要的地位，鍛壓設(shè)備的能力、數(shù)量不僅決定國家的機械加工水平，而且還能夠反映國家的工業(yè)生產(chǎn)水平。經(jīng)統(tǒng)計表明，機械工業(yè)相對發(fā)達的國家所擁有的鍛壓設(shè)備的數(shù)量為所有機床設(shè)備的30%左右。液壓機作為一種通用的鍛壓設(shè)備，通過液壓傳動技術(shù)進行壓力加工，是目前應(yīng)用最為廣泛的鍛壓設(shè)備[1]。近年來，隨著我國各行業(yè)領(lǐng)域的高速發(fā)展，對優(yōu)質(zhì)合金鋼、耐熱合金鋼的需求量越來越大，對自由鍛件的尺寸和精度要求越來越高。在此新形勢、新背景下對液壓機的性能（鍛造速度和精度）提出了更高的要求。因此，需對液壓機的機構(gòu)進行優(yōu)化，使其鍛造速度和鍛造精度滿足產(chǎn)品的要求。

1 液壓機工作原理

液壓機是通過液壓傳動技術(shù)實現(xiàn)壓力加工的鍛造設(shè)備，其工作介質(zhì)為液壓油。液壓傳動主要經(jīng)歷兩次能源轉(zhuǎn)換，首先是基于動力裝置賦予液壓油獲得相應(yīng)的壓力能，然后將具有壓力能的液壓油轉(zhuǎn)換為機械能。液壓機主要由本體、控制系統(tǒng)以及液壓泵站三部分分系統(tǒng)組成。其中，液壓泵站為液壓機的動力源；控制系統(tǒng)通過控制設(shè)備中液壓油的壓力和流動方向完成相應(yīng)的機械操作；本體為液壓機的執(zhí)行機構(gòu)[2]。

工作原理：將液壓油充滿液壓機的液壓油缸中，油缸內(nèi)一端為小柱塞，另一端為大柱塞。當對小柱塞施加一個外力F1，則作用液壓油上的單位壓力為P：

式中：P為液壓油上的單位壓力；F1為作用于小柱塞上的作用力；A1為小柱塞的橫截面積。

根據(jù)液壓油靜壓力傳動原理，作用于大柱塞的作用力為F2：

上述原理中的小柱塞為液壓機中液壓泵中的柱塞，大柱塞為液壓機設(shè)備中工作油缸的柱塞。因此，可根據(jù)生產(chǎn)需求增大液壓機設(shè)備中工作油缸的柱塞面積，獲取較大的壓力。

2 液壓機結(jié)構(gòu)特點與存在問題

傳統(tǒng)液壓機的結(jié)構(gòu)為三梁四柱式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)液壓機的重心較高，在實際沖壓過程中導致其本體的晃動很大。因此，當前應(yīng)用最為廣泛的液壓機為下拉式結(jié)構(gòu)。目前，液壓機的通用結(jié)構(gòu)主要由上橫梁、立柱、回程缸、固定橫梁、工作缸、下橫梁以及高壓管等組成[3]。液壓機與其他鍛壓設(shè)備的相比具體如下特點：

1）液壓機能夠獲取更大的工作壓力、工作行程，能夠?qū)崿F(xiàn)對更大更高工件的加工；

2）液壓機在對零件加工過程中工作非常平穩(wěn)，其所產(chǎn)生的撞擊和振動均很?。?/p>

3）液壓機結(jié)構(gòu)簡單，便于生產(chǎn)、制造；

4）大功率高速電機的應(yīng)用大大提升了液壓機的工作效率。

本文所研究的液壓機的類型為單動薄板沖壓液壓機，具體型號為HJY27-630。該液壓機的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 液壓機結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示單動薄板沖壓液壓機的主要部分包括有：上橫梁、活動衡量、邊柱以及下橫梁。該型號液壓機為重型機械，所有部件均采用鋼板焊接而成，導致其制造成本較高。經(jīng)計算可得，單動薄板沖壓液壓機上橫梁、活動衡量以及下橫梁所耗費鋼材的成本占該產(chǎn)品總成本的70%以上。因此，本文將對液壓機的關(guān)鍵部件進行有限元分析的基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵部件進行優(yōu)化設(shè)計，達到減重降成本的目的[4]。

3 液壓機關(guān)鍵部件的仿真與優(yōu)化設(shè)計

本節(jié)以液壓機上橫梁為研究對象，詳細說明基于有限元分析實現(xiàn)對上橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化達到減重目的的思路。

3.1 上橫梁模型的搭建

上橫梁模型搭建時需作出如下假設(shè)：

1）假設(shè)液壓機上橫梁結(jié)構(gòu)中的焊接質(zhì)量是可靠的，將整個液壓機近似看為一個整體；

2）對液壓機中各個細微結(jié)構(gòu)做簡化處理；

3）將液壓機機架所采用的材料近似為相同的材料，即液壓機的密度是均勻分布的[5]。

基于上述模型搭建原則，對液壓機上橫梁中的油道、吊耳以及圓角進行簡化處理，只保留上橫梁部件中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，所搭建的上橫梁的有限元模型如圖2 所示。

圖2 液壓機上橫梁結(jié)構(gòu)的有限元模型

網(wǎng)格劃分結(jié)果：根據(jù)仿真要求將上述上橫梁結(jié)構(gòu)有限模型劃分為52 804 個節(jié)點，共包含有26 714個單元。

載荷的確定：根據(jù)液壓機的工況，設(shè)定最惡劣工況下外界載荷確定如下：液壓缸所承受的力為6.17×106N；緩沖油缸所承受的力為4.9×106N；平均殘余應(yīng)力為1.6×105N。

3.2 仿真結(jié)果的分析

經(jīng)仿真分析可得：液壓機上橫梁上述工況下的最大應(yīng)力發(fā)生在螺母處。液壓機在實際工作中，上橫梁所受到的載荷是由液壓缸的作用力和邊柱對上橫梁的作用力共同導致的，因此其所承受的最大應(yīng)力集中到上橫梁螺母的位置，且最大應(yīng)力值為85 MPa。上橫梁所選用的材料為Q235 號鋼。即，上橫梁的許用應(yīng)力235 MPa 遠大于其在最惡劣工況下的最大應(yīng)力值。

此外，通過應(yīng)變云圖來看，液壓機上橫梁在上下方向的最大位移變形為0.31 mm；在前后方向的最大位移變形為0.055 mm；在前后方向的最大位移變形為0.09 mm。

綜上所述，液壓機上橫梁應(yīng)力集中位置處的最大應(yīng)力遠小于Q235 的許用應(yīng)力；最大位移變形很小。因此，液壓機上橫梁的優(yōu)化空間很大。

3.3 液壓機上橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合3.2 的仿真結(jié)果和液壓機上橫梁鋼板的焊接標準對鋼板的厚度進行重新調(diào)整，并通過仿真手段驗證改進后鋼板厚度的強度要求是否能夠滿足實際生產(chǎn)的需求。經(jīng)過多次調(diào)整、仿真結(jié)果得出上橫梁結(jié)構(gòu)的最終優(yōu)化尺寸如表1 所示。

表1 液壓機上橫梁機構(gòu)的優(yōu)化前后對比

如表1 所示，對液壓機上橫梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計后關(guān)鍵位置鋼板的厚度均被減小，使得液壓機的整體減重18.6%。此外，上橫梁結(jié)構(gòu)改進后的最大應(yīng)力比改進前大105 MPa，變形量比改進前大0.01 mm。綜上所述，改進后的上橫梁結(jié)構(gòu)的強度滿足實際生產(chǎn)需求。

4 結(jié)語

液壓機作為當前機械行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的鍛壓設(shè)備，其關(guān)鍵零部件均是采用焊接工藝連接固定的。經(jīng)分析，當前液壓機的選材及厚度的最大應(yīng)力及變形量遠小于材料的需用應(yīng)力，即說明其結(jié)構(gòu)具有較大的優(yōu)化空間?；谟邢薹治龅氖侄螌ζ潢P(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，達到減重的目的。實踐表明，對液壓機上橫梁結(jié)構(gòu)基于有限元分析手段優(yōu)化設(shè)計后減重18.6%，且優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)仍然滿足實際生產(chǎn)的需求。