工程案例

液压机滑块构造设计与计算研讨


摘要:在公民经济开展进程中液压机表演侧重要的角色,其工作介质为液体,通过模具对于制件施加压力完成。而压抑工艺中最为要害的为滑块,其不只应领有较高的活动精度,还要具备良好的强度、刚刚度等前提,而且要联合实际情形,拔取合适的滑块导向构造及长度。文章先容了液压机滑块的概略,论述了其构造设计及计算。

要害词:液压机;滑块;构造设计;压抑工艺;构造优化设计;有限元剖析

在市场经济环境下,机械制作业波动开展,其以铸造工艺为根底,通过铸造改善了金属资料内部组织构造,进步了其综合机能。但跟着航空、建造、汽车等行业的开展,其对于原料机能的要求一直增多,因而铸造工艺应踊跃改良,铸造液压机应一直翻新。特殊是其滑块,通过构造设计及算法优化,以此知足社会经济开展的需求,同时也可彰显国防实力、科技程度。

1液压机滑块的概略

液压机依据没有同尺度能够区分为以下类型:以机架构造为根据,能够分为组合、整体框架式以及单臂式;以用途与功用为尺度,能够区分为冲压、专用、铸造及打包液压机;依据工作介质能够分为水压机与油压机。液压机对于工件的压力加工主要是借助滑块完成的,常为油缸驱动滑块或许固定于滑块上的模具。对于于框架式液压机而言,其滑块根本均与主缸活塞杆刚刚性衔接,设计其四角进程中装置了可调理滑块导轨,从活动学视角来看,滑块与活塞杆受油缸、导轨面影响,仅可沿着导轨长度进行运动。普通情形下,油缸固定在上横梁上,活塞、油缸孔因精准合作,因而难以调理。理论中,导轨调剂范畴应知足弥补累积误差对于精度的影响,在此情形下,滑块下平面对于工作立场的没有平行度级滑块活动标的目的上对于工作台的没有垂直度等精度,均要合乎主机精度划定。从导轨受力视角而言,在机架受力变形后,导轨面可蒙受相应的程度力,同时因偏心载荷影响下涌现的程度位移,其也应蒙受随之涌现的附加程度力。为了知足上述要求,滑块导轨面应领有必定的长度与宽度,以此确保导轨面上的比压值处于合理范畴。经考察发觉,液压机处于精冲、冷挤压或大台面薄板冲压情形下,为了确保导向精度,进步抗偏载才能,须要采取相应的办法,详细如下:第一,滑块导向尺寸加长,一般滑块导向的长度及跨度比例范畴在0.3~0.6之间,理论中大多数液压机坚持着1.2~2.0的比值,因导向面分明加长,进步了导向精度,减少了偏心载荷情形下的导轨面挤压应力,随之延伸了液压机滑块使用光阴,此法子可用于大吨位、小台面液压机,后果显著;第二,滑块导向尺寸加宽,上述法子的顺应范畴小,假如液压机为大台面,因其跨渡过大,假如仅依赖滑块导向尺寸添加,则难以知足实际需求,而且要使其更为粗笨。为了解决此问题,经学者研讨,提出了加宽法子,以此保障了导向及偏心载荷情形下的精度。在对于导轨进行构造设计进程中,应关注两个问题:第一,导轨资料拔取能否合理;第二,光滑问题。此外,为了进一步加强导轨耐磨机能,使其维修愈加简便,可在滑块导轨上设计黄铜垫板或许胶木板,同时导轨应使用45钢进行制作,而且在设计时要关注工艺中热变形所造成的影响,察看导轨空隙。导轨构造图详细分为以下五种:第一种为四角八面推拉式,其上风显著,如简略的构造、便捷的调剂、较小的机型等,但也具有没有足,分手为较差的滑块精度坚持性、偏低的抗偏心载荷才能;第二种为四角八面斜楔式,其上风为便于调剂,存在良好的精度坚持性以及较高的抗偏心轴载荷才能,但毛病为构造过于繁杂,而且零件形状偏大,此情势进可用于大台面、大吨位的液压机,而且其应答抗偏心载荷才能有着较高的要求;第三种为四角八面推拉式联合四角八面斜楔式,它综合了两种情势的长处,对于各自的没有足有所补偿;第四种为四角八面单面可调式,其上风为紧凑的构造、便捷的调剂及较小的机型,但毛病为对于加工精度有着较高的要求,特殊是破柱;第五种为X型,其主要实用于压抑工件须要加热的液压机,因理论中滑块受多重要素的影响,如模具热传导、辐射热等,其会在辐射标的目的产生膨胀变形,而应用X型导轨后,防止了热变形,避免了导轨空隙,并会发生内应力,但此情势抗偏细载荷才能没有足,同时从加工工艺角度来看也没有够感性。

2液压机滑块的构造设计及其计算

2.1构造优化设计

构造优化设计主要是依据既有的设计参数,应用合适的优化法子求解出合乎全体束缚前提的设计变量,并使目的函数取最小或最大值。罕见的优化法子有三种,分手为:第一,拓扑优化,主要是在已知的设计区域内,给定边界、外载荷等前提,以此了解构造的最优资料散布;第二,尺寸优化,主要是在已知的构造类型条件下,调剂设计区域构造构件的尺寸,以便于取得最合适的尺寸;第三,性状优化,主要是在已知的构造类型前提下,调剂设计区域的边界及性状,从而了解最佳的边界及性状。近些年,构造优化问题得到了学者的高度关注,但关于液压机滑块的构造设计及计算研讨较少,本研讨以YQK-1250框架式液压机为例,展开了深化讨论。现阶段,我国的框架式液压机主要为拉杆预紧式,因而有关研讨中均以此类液压机为研讨对于象,本文拔取的液压机选用了楔块作为预紧方式,与其余液压机相比,其上风显著,如机装简便、受力迷信等。详细的工作流程如下:工作压力来自于三个工作缸,通过液压缸传送压力,并活动至滑块;压边力源于压边缸,通常压边缸固定在工作台上。在此情形下,上模与下模经合拢,在上下压边力的双重支撑下,完成了单向拉伸。在使用液压机时,应充足意识其机身动态机能,还应了解其滑块的动态机能,主要是因滑块直接衔接着液压缸及机身,二者衔接刚刚度没有稳固。液压机的成型精度及效力等均受滑块影响,如滑块既有的振动频次及振型等,因而对于液压机滑块展开构造优化设计及计算是必要的。

2.2滑块有限元剖析

多于众多问题而言,假如采纳传统的解析法求解,因假定过多而影响成果精度。在现今技术支撑下,特殊是计算机技术,随之涌现了有限元法,其利用日渐普遍与广泛,将其用于各类问题中,取得了近似解,其思惟为化整为零、积零为整,对于持续求解区域进行离披发,使其成为有限个单元的组合体,再构建各单元有关的关联式,经组合以便于处置相应的场问题。有限元剖析法常用于非线性剖析以及较为繁杂问题的求解,其具备丰盛的功用,如动态、位移、热传导及准静态等剖析,在机械、航空、汽车、化工等领域均表演侧重要的角色,得到了宽大学者及科研工作者的认可与青眼。实际利用中主要是使用专门的三维造型软件,对于构造展开三维建模,通过有限元软件及三维造型软件间的接口,在有限元软件中导入三维实体,同时区分网格、增加载荷及边界前提等,尔后将取得构造应变力变位移云图,联合模仿构造,可对于研讨对于象进行构造优化。关于滑块的有限元剖析:第一步便是构建滑块有限元模型,研讨中可采纳没有同的法子进行结构,如:三维CAD软件,树立滑块三维模型,将其导入到ANSYS,树立数值模型,在建模进程中应尽可能地知足滑块的力学特性。有限元剖析中最为要害的环节便是网格区分,其中网格的类型、数目等均对于计算本钱、精度等有着直接的影响,在对于滑块构造进行网格区分进程中,联合有限元的特色,可随便拔取大小、粗细的网格,但理论中应充足关注两个要素,分手为计算本钱与计算精度,以此保障网格区分的合感性与有效性。此外在区分时应遵循以下准则:第一,对于构造特性进行简化时要确保其合乎根本的运算精度;第二,树立的数学模型应具备针对于性,不只要存在较高的精度,还应领有较低的本钱;第三,选用的网格单元类型应合理,防止涌现构造受力处于失真形态。滑块的网格类型能够选用四周体单元C3D4,对于网络尺寸进行细化处置,为了进步网格品质,应答其进行全面反省与进一步优化。边界前提的施加情形如下:密度为7.88E3(kg/m3)、弹性模量为208GPa,屈从极限为236MPa,强度极限为426MPa,泊松比为0.29。对于于滑块而言,其活动时受液压缸影响,同时其固定点处于滑块跟 液压缸相连处,因而在剖析时须要应用6个自在度对于滑块与液压缸进行束缚。如图1所示:第二步,剖析模态成果,在剖析滑块模态进程中采纳兰索斯法,经剖析后,提取前八阶的既有频次与振型,详细的指标如下:第一阶到第八阶的固有频次分手为35.43Hz、36.43Hz、64.35Hz、114.32Hz、124.34Hz、130.42Hz、158.64Hz、312.45Hz,通过对于振型的读取可知,前三阶振型可有效浮现滑块的动态特性,因而对于三者给予了重点研讨。经模态剖析证明,第一阶振型环抱Z核心轴进行旋转,该振型直接抉择了滑块的导向性,添加了滑块与导柱间的接触力,随之影响了滑块导向机构的使用光阴;第二阶振型环抱Y核心轴进行扭转,此振型直接影响着主缸及侧缸活塞杆,当其程度一致性变化后,三个液压缸便会涌现歪斜问题;第三阶振型环抱X核心轴进行扭转,此振型直接影响着工作台上的平面及滑块下的平面,使其平行度产生了转变,同时也对于滑块跟 破柱间的垂直度造成了必定影响。在此情形下,假如未能给予合理优化与改良,加工精度将下降、模具使用光阴缩短。

2.3优化算法

优化的对于象主要有三个,分手为:第一,设计变量,其存在必定的独破性,又称自变量,通常每个自变量均有着上限值与下限值,并对于值的变化范畴进行了定义,最多情形下,自变量可有60个,其可同时处在ANSYS程序中,经优化后被设定,形态变量,其为设计变量的函数,存在束缚作用,通常其最多可到达100个,经程序优化后被设定;第二,目的函数,其为设计变量的函数,假如设计变量值产生转变,则目的函数值也会随之转变,通常在程序优化中仅有一个目的函数被设定;第三,剖析文件,其为命令流出文件,其处于整个剖析进程中,体如今前处置、求解及后处置等各个方面。优化算法,在ANSYS中创立没有同的优化算法:一种为零阶迫近法,又称为零阶法;另一种为一阶法。第一种法子中触及两个要害涵义:其为目的函数与形态变量的迫近法子;其使束缚问题改变成了非束缚问题。第二种法子与上述法子一致,二者均是向目的函数添加处分函数后,完成了束缚与否问题的转换。该法子可使用因变量对于设计变量的偏导数,在反复进程中,梯度计算搜寻标的目的受最大斜度法及梯度计算法影响,此外非束缚问题可借助直线搜寻法使其到达最小化,应用一系列的子迭代,形成了每次迭代进程,同时其中也涵盖了搜寻标的目的以及梯度计算。与第一种法子相比,后者的毛病分明,即计算量多大,但经严厉计算后可取得精准的成果,少数情形下,精准的成果未必表现取得了最佳解。详细的优化流程如下:在ANSYS中展开优化设计,优化计算时,对于设计变量与形态变量等设置束缚前提,同时设置相应的目的函数、轮回节制模型以及最优化法子等,尔后联合假定前提结构目的函数,在此情形下便完成了问题的转换,即:由束缚优化问题改变为非束缚优化问题,再给予迭代计算。在搜寻时以束缚空间内的某一标的目的施行,随之会涌现一系列的解;依据某一法令,提出新的设计变量,尔后再进行新一轮迭代计算。当前提未能合乎预先设定的值,则要继续迭代计算,而假如前提合乎设定值,则停止计算,并输出成果。

2.4滑块品质优化

液压机滑块作为首要的组成局部,因频繁使用,其受损频次较高,同时其作为滑动部件及受力局部,应答其品质进行踊跃的优化与改良。因为设计初期便肯定了液压机整体数据,因而设计进程中将已知的滑块数据视为变量。经剖析证明,滑块品质转变主要受板地位及其厚度的影响,而其也受滑块力学机能及动态机能影响。关于滑块的数学模型,第一,目的函数,其作为滑块品质的最小值minM(x1,x2......xn),因品质受体积、密度抉择,即)......,(min)......,(min2121nnxMx×=ρxxxVx,因而在体积处于最小值的情形下,目的品质为最小值,在此情形下,优化时仅关注最小体积即可;第二,设计变量,因滑块品质最小值与其厚度、长度、密度等有关,因而在设计数学模型的进程中,设计变量应拔取滑块内部各筋板的厚度,将各号筋板的厚度视为设计变量,初始值均为30、下限值均为20、上限值均为65;第三,形态变量,其为设计变量函数,又称因变量,对于于任何液压机而言,其结构肯定均应知足构造设计根本要求,即复合资料强度、刚刚度等需求,形态变量应拔取滑块的最大应变及最大应力,联合惯例横梁刚刚度可知,单位跨度挠度应低于0.2mm,滑块宽度经液压机既有参数可知,其为4.5m,在此根底上,滑块挠度应是0.9mm。经优化成果比照可知,滑块品质分明下降,降低幅度在1.5%摆布,最大等效应力有所添加,与优化前比照,增长了约15.0%,同时整体应力散布较为平均,此外Z标的目的的位移约5.0%。总之,经优化处置,液压机品质减少,侧面体现其应力与挠度增大。

3结语

综上所述,液压机滑块作为首要的部件,其构造设计情形直接影响着液压机的使用后果。本文先容了液压机滑块的概略,重点讨论了其优化设计及计算,通过有限元剖析法及ANSYS软件,构建了相应的模型,待优化后取得了最小品质,同时其位移、应力等散布也愈加规律与平均。

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作者:李改华 单位:北京中冶京唐重型配备技术有限公司

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