Projekt konstrukcyjny i analiza elementów skończonych cylindra roboczego dużej kuźniczej prasy hydraulicznej

1. Wstęp

Cylinder roboczy jest ważnym elementem wykonawczym maszyny hydraulicznej.Przekształca energię ciśnienia cieczy w energię mechaniczną.Jest podzielony na typ tłoka, typ tłoka, typ wahadłowy i typ teleskopowy zgodnie z typ struktury.Cylinder roboczy odkuwki 200MN prasa hydrauliczna przyjmuje typ tłoka, który ma prostą konstrukcję i jest łatwy w produkcji.Jest to forma konstrukcyjna powszechnie stosowana w dużych maszynach hydraulicznych.Tradycyjne teoria projektowania prasy hydraulicznej jest główną podstawą projektowania konstrukcyjnego cylindra roboczego.

ABAQUS jest ekspertem w rozwiązywaniu złożonych problemów i stworzył wiodące na świecie oprogramowanie do analizy metodą elementów skończonych.Jest szeroko stosowany w maszynach, wojsku, chemii, motoryzacji i innych dziedzinach przemysłu.Używanie ABAQUS do liczb symulować cylinder hydrauliczny, można dokładnie określić rozkład naprężeń cylindra roboczego i przeanalizować racjonalność jego projektu konstrukcyjnego.

2. Projekt konstrukcyjny cylindra roboczego

W celu oszczędności energii, a zwłaszcza zmniejszenia zużycia energii, prasa hydrauliczna kuźnicza 200MN wykorzystuje sześć cylindrów roboczych w trzech rzędach.6 cylindrów roboczych może jednocześnie wytworzyć ciśnienie 200 MN, a 4 małe cylindry robocze po obu stronach mogą wytworzyć ciśnienie 80 MN, a środkowe 2 duże cylindry robocze mogą wytworzyć ciśnienie 120 MN.Cylindry robocze o różnych ruchach mogą generować 3 poziomy ciśnienia i różne odkuwki mogą być produkowane w celu wybrania odpowiedniego poziomu ciśnienia, co znacznie obniża koszty.Budowę korpusu oraz układ cylindra roboczego pokazano na Zdjęciu 1 i Zdjęciu 2.

Aby poprawić żywotność cylindra roboczego, konstrukcja bezpośrednio wykorzystuje śrubę do zamocowania bloku cylindrów na górnej belce, czyli stosuje się dolną podporę.To nie tylko poprawia sztywność i wytrzymałość górnej belki, ale także zmniejsza naprężenia ścianki cylindra roboczego.

Pojedyncze połączenie zawiasu kulowego jest odpowiednie dla suwaka i czterech małych tłoków cylindrycznych z boku, a podwójne połączenie zawiasu kulowego jest najlepszą metodą połączenia dla suwaka i dwóch środkowych tłoków cylindra głównego, jak pokazano na rysunku 3a, b .

Gdy ciśnienie robocze cylindra roboczego jest wyższe niż 20 MPa, kucie stali węglowej jest głównym trybem produkcji cylindra roboczego.Cylinder roboczy kuźniczej prasy hydraulicznej 200MN pracuje pod wysokim ciśnieniem 31,5 MPa, a konstrukcja jest duża, trudno jest ją wykuć w całości.Dlatego jest kuty przez spawanie stali 35, jest normalizowany i odpuszczany, a jego granica plastyczności wynosi 240 MPa.

Tłoczek porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrze i ma duży wpływ na zużycie tulei prowadzącej oraz uszczelki, dlatego powierzchnia tłoka musi mieć odpowiednią twardość i dobre wykończenie powierzchni.Aby spełnić to wymaganie, tłok jest generalnie wykonany ze stali kutej węglowej o wysokiej zawartości węgla i poddawany obróbce wzmacniającej powierzchnię po obróbce skrawaniem.Hydrauliczny tłok maszyny jest kuty ze stali 45.

Nominalne ciśnienie robocze pośredniego cylindra roboczego wynosi 120MN, a obliczenia projektowe jego parametrów konstrukcyjnych są następujące:

W zależności od nominalnego ciśnienia całkowitego F(N), które siłownik hydrauliczny powinien wytworzyć, oraz wybranego ciśnienia roboczego cieczy P (MPa), średnicę tłoka D określa się ze wzoru:

Ze wzoru (1) oblicza się D=1557,7mm, a po zaokrągleniu przyjmuje się D=1560mm i średnicę wewnętrzną D1 cylindra hydraulicznego łączy się z tłokiem.

Jest to związane ze szczeliną Δt wewnętrznej ściany cylindra i zgodnie z doświadczeniem Δt zaleca się przyjęcie 15 mm.

Zgodnie z powyższym wzorem (2) wyznaczono średnicę wewnętrzną D1 cylindra hydraulicznego na 1590 mm.Zgodnie ze wzorem empirycznym średnica zewnętrzna cylindra hydraulicznego D2 wynosi:

[σ] weź 120 MPa, zgodnie z powyższym wzorem (2), znajdź zewnętrzną średnicę D2 cylindra hydraulicznego wynoszącą 2153 mm i zgodnie ze wzorem:

r1———Promień wewnętrzny cylindra (mm)

r2———Promień zewnętrzny cylindra hydraulicznego (mm)

Obliczone za pomocą równania (4), r2≥1076,5mm, przyjmijmy D2=2*r2 = 2250mm.

Grubość dna cylindra: t=(1,5~2)*(r2-r1) (5)

Ciśnienie nominalne czterech cylindrów roboczych z boku wynosi 80 MPa.Podobnie parametry konstrukcyjne bocznego cylindra roboczego można wstępnie otrzymać w następujący sposób:

Średnica tłoka D=900mm, Δt=10mm, średnica wewnętrzna cylindra hydraulicznego D1=920mm, średnica zewnętrzna D2=1360mm, grubość dna cylindra t=300mm.

3. Symulacja numeryczna i analiza wyników działania cylindra roboczego

Obecnie większość cylindrów hydraulicznych wykorzystuje empiryczny algorytm mechaniki sprężystej.Zgodnie z podstawowymi parametrami projektowymi określane są podstawowe parametry projektowe w odniesieniu do odpowiednich danych, a następnie wytrzymałość sprawdzenie przeprowadza się zgodnie z uproszczonym modelem mechanicznym.Jednak ze względu na złożoną budowę siłownika hydraulicznego trudno jest ustalić dokładne modele mechaniczne i matematyczne, zwłaszcza w warunkach naprężeń strefa koncentracji.Wykorzystując metodę elementów skończonych do obliczenia cylindra hydraulicznego, można dokładnie określić rozkład naprężeń cylindra hydraulicznego, a następnie przeanalizować racjonalność projektu konstrukcyjnego.Główny Wymiary cylindra roboczego pokazano na Zdjęciu 4.

3.1 Stworzenie modelu elementów skończonych

3.1.1 Model strukturalny i podział jednostek

Aby obliczenia cylindra roboczego były bliższe rzeczywistym warunkom pracy, sześć cylindrów roboczych jest montowanych z górną belką zgodnie z rzeczywistymi warunkami.Biorąc pod uwagę, że deformacja ww belka dolna ma niewielki wpływ na cylinder roboczy, model kolumny jest przechwycony do połowy wysokości.

Typ siatki cylindra roboczego jest wybrany jako jednostka czworościenna C3D4, a szczegóły zaokrąglenia dna cylindra, wlotu oleju i otworu gwintowanego są siatkowane i podzielone.Cztery boczne cylindry są podzielone na 940 000 jednostek, a środkowa 2 Cylindry główne są podzielone na 1,2 miliona jednostek.

3.1.2 Warunki brzegowe

(1) Jednorodne ciśnienie 31,5 MPa jest przykładane do wewnętrznej powierzchni ściany cylindra roboczego, a ciśnienie cieczy rozkłada się poniżej wewnętrznej ściany cylindra roboczego.

(2) Współczynnik tarcia μ jest ustawiony na 0,1, a typ kontaktu jest wybrany jako standardowy kontakt powierzchnia-powierzchnia.

(3) Ustal właściwości materiału cylindra roboczego: współczynnik Poissona λ wynosi 0,3, a moduł sprężystości E wynosi 206 000 MPa.

(4) Dźwignia bloku górnej belki jest wstępnie dokręcona: φ200 mm (10 sztuk), pojedyncza siła dokręcania wstępnego jest ustawiona na 4000 kN, a tryb dokręcania wstępnego przyjmuje obciążenie śruby.

(5) Wstępne dokręcenie pręta kolumny: Siła dokręcenia wstępnego powinna być umiarkowana, a siła dokręcenia wstępnego zniszczy cięgno;wręcz przeciwnie, stykająca się część belki i kolumny zostanie otwarta dzięki wstępnemusiła docisku jest zbyt mała.Całkowite napięcie wstępne przyjmuje się jako 1,4-krotność ciśnienia nominalnego, bardziej odpowiednie jest 280MN.Wśród nich pojedyncze napięcie wstępne 10 dyszli φ400mm jest ustawione na 17500kN;pojedyncze napięcie wstępne 12 dyszli φ320mm jest ustawiony na 11200 kN;metoda obciążenia wstępnego wykorzystuje obciążenie Boltem.

(6) Warunek brzegowy przekroju bryłowego jest stosowany do środkowego przekroju słupa.

Jego model numeryczny pokazano na rysunku 5:

3.2 Wyniki i analiza symulacji

Po obliczeniu modelu numerycznego cylindra roboczego obserwuje się i analizuje chmurę naprężeń równoważnych cylindra roboczego.

3.2.1 Wyniki symulacji i analiza pośredniego głównego cylindra roboczego

Główny cylinder roboczy jest rozcinany, aby obserwować wewnętrzny i zewnętrzny rozkład naprężeń w cylindrze roboczym.Równoważny wykres chmury naprężeń pośredniego głównego cylindra roboczego pokazano na Zdjęciu 6:

Analiza chmury rozkładu naprężeń zastępczych głównego cylindra roboczego daje następujące wyniki:

(1) Średnia wartość rozkładu naprężeń równoważnych w pobliżu wewnętrznego otworu wlewowego cylindra roboczego jest najwyższa i wynosi od 105 do 120 MPa.Najwyższym punktem naprężenia równoważnego jest 119MP, a pozycja znajduje się na wewnętrznej ścianki cylindra roboczego w pobliżu dolnej części otworu do napełniania cieczą.

(2) Wartość naprężenia równoważnego wewnętrznej ścianki grubościennej cylindrycznej części cylindra roboczego jest stosunkowo wysoka, a rozkład naprężeń równoważnych jest stosunkowo równomierny między 95 a 115 MPa.

(3) Równoważna wartość naprężenia na dnie cylindra roboczego jest stosunkowo niska, między 68 a 85 MPa.

(4) Zewnętrzna ściana grubościennej cylindrycznej części cylindra roboczego ma najniższą wartość naprężenia równoważnego, a maksymalna wartość naprężenia równoważnego wynosi tylko 60 MP.

Wyniki numeryczne pokazują, że maksymalne naprężenie równoważne głównego cylindra roboczego występuje w pobliżu otworu do napełniania cieczą ściany wewnętrznej, wartość wynosi 119 MP, a materiał cylindra roboczego 35 stal ma plastyczność wytrzymałość 240MPa po obróbce cieplnej, a jego współczynnik bezpieczeństwa jest większy niż 2. Można dalej udowodnić, że wytrzymałość głównego cylindra roboczego spełnia wymagania projektowe.

3.2.2 Wyniki symulacji bocznego cylindra roboczego

Zdjęcie 7 przedstawia równoważną chmurę naprężeń bocznego cylindra.

Przeprowadza się analizę chmury rozkładu naprężeń równoważnych bocznego cylindra roboczego i uzyskuje się następujące wyniki:

(1) Maksymalne naprężenie równoważne powstaje w pobliżu otworu do napełniania cieczą, a jego wartość naprężenia równoważnego wynosi 129,5 MPa.

(2) Rozkład naprężeń równoważnych grubościennej cylindrycznej części wewnętrznej ściany cylindra jest stosunkowo równomierny, a wartość naprężenia równoważnego jest wyższa, a wartość naprężenia równoważnego wynosi 85 ~ 110 MPa.

(3) Wewnętrzna ściana bocznego cylindra roboczego i zewnętrzna powierzchnia cylindra mają równomierny rozkład naprężeń, a naprężenie równoważne jest niskie, a wartość naprężenia równoważnego jest przeważnie poniżej 75 MPa.

Boczny cylinder roboczy wykonany jest ze stali 35.Po obróbce cieplnej granica plastyczności wynosi 240 MPa.Z wyników obliczeń numerycznych wynika, że ​​maksymalne naprężenie równoważne bocznego cylindra roboczego wynosi 130 MPa, a bezpieczeństwo współczynnik oblicza się na 1,85.Dlatego wytrzymałość bocznego cylindra roboczego spełnia wymagania projektowe.

4. Wniosek

W tym artykule zastosowano tradycyjną teorię projektowania prasy hydraulicznej do obliczenia cylindra roboczego kuźniczej prasy hydraulicznej 200 MN za pomocą obliczeń ze wzoru.Następnie do modelowania wykorzystuje się oprogramowanie do analizy metodą elementów skończonych ABAQUS zespołu cylindra roboczego w trzech wymiarach i służy do statycznych obliczeń symulacji metodą elementów skończonych.Poprzez analizę naprężeń równoważnych wyników symulacji cylindra roboczego, wytrzymałość pracy cylinder spełnia wymagania projektowe, co dodatkowo dowodzi, że wynik obliczeń tradycyjnego wzoru jest poprawny i wykonalny w specyfikacji konstrukcyjnej cylindra roboczego cylindra hydraulicznego.