Diseño estructural y análisis de elementos finitos del cilindro de trabajo de una prensa hidráulica de forja grande

1. Introducción

El cilindro de trabajo es un actuador importante de la máquina hidráulica.Convierte la energía de presión del líquido en energía mecánica.Se divide en tipo de émbolo, tipo de pistón, tipo oscilante y tipo telescópico según el tipo de estructura.El cilindro de trabajo de la forja 200MN. prensa hidráulica adopta un tipo de émbolo, que tiene una estructura simple y es fácil de fabricar.Es una forma estructural comúnmente utilizada en grandes máquinas hidráulicas.Lo tradicional La teoría del diseño de la prensa hidráulica es la base principal para el diseño estructural del cilindro de trabajo.

ABAQUS es experto en resolver problemas complejos y ha logrado un software de análisis de elementos finitos líder en el mundo.Es ampliamente utilizado en maquinaria, militar, química, automotriz y otros campos industriales.Usando ABAQUS para numéricamente Simule el cilindro hidráulico, la distribución de tensión del cilindro de trabajo se puede determinar con precisión y se puede analizar la racionalidad de su diseño estructural.

2. Diseño estructural del cilindro de trabajo.

Para ahorrar energía, especialmente para reducir el consumo de energía, la prensa hidráulica de forja 200MN utiliza seis cilindros de trabajo en tres filas.Los 6 cilindros de trabajo pueden generar 200 MN de presión al mismo tiempo, y los 4 pequeños los cilindros de trabajo en ambos lados pueden generar 80 MN de presión, y los 2 cilindros de trabajo grandes del medio pueden generar 120 MN de presión.Los cilindros de trabajo con diferentes movimientos pueden generar 3 niveles de presión, y diferentes Se pueden producir piezas forjadas para seleccionar el nivel de presión correspondiente, lo que ahorra mucho el costo.La estructura del cuerpo y el diseño del cilindro de trabajo se muestran en la Imagen 1 y la Imagen 2.

Para mejorar la vida útil del cilindro de trabajo, el diseño utiliza directamente el perno para fijar el bloque de cilindros en la viga superior, es decir, se utiliza el soporte inferior.Esto no solo mejora la rigidez y la resistencia de la viga superior, sino que también reduce la tensión de la pared del cilindro del cilindro de trabajo.

La conexión de bisagra de bola simple es adecuada para el control deslizante y los cuatro émbolos de cilindro pequeños en el costado, y la conexión de bisagra de bola doble es el mejor método de conexión para el control deslizante y los dos émbolos de cilindro maestro del medio. como se muestra en la imagen 3a, b.

Cuando la presión de trabajo del cilindro de trabajo es superior a 20 MPa, la forja de acero al carbono es el principal modo de producción del cilindro de trabajo.El cilindro de trabajo de la prensa hidráulica de forja de 200MN funciona bajo la alta presión de 31.5MPa, y la estructura es grande, es difícil de forjar integralmente.Por lo tanto, está forjado mediante soldadura de acero 35, está normalizado y templado, y su límite elástico es de 240 MPa.

El émbolo se mueve alternativamente en el cilindro y tiene una gran influencia en el desgaste del manguito guía y el sello, por lo que la superficie del émbolo debe tener suficiente dureza y buen acabado superficial.Para cumplir con este requisito, el émbolo generalmente está hecho de acero forjado al carbono con un alto contenido de carbono y se somete a un tratamiento de refuerzo superficial después del mecanizado.El émbolo de la máquina hidráulica está forjado en acero 45.

La presión de trabajo nominal del cilindro de trabajo intermedio es 120MN, y el cálculo de diseño de sus parámetros estructurales es el siguiente:

De acuerdo con la presión total nominal F(N) que debe producir el cilindro hidráulico y la presión de trabajo del líquido seleccionada P (MPa), el diámetro del émbolo D se determina mediante la siguiente fórmula:

A partir de la fórmula (1), se calcula D=1557,7 mm y, después del redondeo, se toma D=1560 mm, y el diámetro interior D1 del cilindro hidráulico se conecta con el émbolo.

Está relacionado con el espacio Δt de la pared interior del cilindro, y es preferible tomar 15 mm según la experiencia Δt.

Según la fórmula (2) anterior, se determina que el diámetro interior D1 del cilindro hidráulico es de 1590 mm.Según la fórmula empírica, el diámetro exterior del cilindro hidráulico D2 es:

[σ] tome 120MPa, de acuerdo con la fórmula anterior (2), encuentre que el diámetro exterior D2 del cilindro hidráulico es 2153 mm, y de acuerdo con la fórmula:

r1———Radio interior del cilindro (mm)

r2———Radio externo del cilindro hidráulico (mm)

Calculado por la ecuación (4), r2≥1076.5mm, tome D2=2*r2 = 2250mm.

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

La presión nominal de los cuatro cilindros de trabajo laterales es de 80 MPa.De manera similar, los parámetros estructurales del cilindro de trabajo lateral se pueden obtener preliminarmente de la siguiente manera:

Diámetro del émbolo D=900 mm, Δt=10 mm, diámetro interior del cilindro hidráulico D1=920 mm, diámetro exterior D2=1360 mm, grosor del fondo del cilindro t=300 mm.

3. Simulación numérica y análisis de resultados del cilindro de trabajo.

En la actualidad, la mayoría de los cilindros hidráulicos utilizan el algoritmo empírico de la mecánica elástica.De acuerdo con los parámetros de diseño básicos, los parámetros de diseño básicos se determinan con referencia a los datos relevantes, y luego la fuerza La comprobación se realiza según el modelo mecánico simplificado.Sin embargo, debido a la compleja estructura del cilindro hidráulico, es difícil establecer modelos matemáticos y mecánicos precisos, especialmente en la tensión. zona de concentracionUsando el método de elementos finitos para calcular el cilindro hidráulico, la distribución de tensión del cilindro hidráulico se puede determinar con precisión y luego se analiza la racionalidad del diseño estructural.El principal Las dimensiones del cilindro de trabajo se muestran en la Imagen 4.

3.1 Establecimiento del modelo de elementos finitos

3.1.1 Modelo estructural y división de unidades

Para que el cálculo del cilindro de trabajo se acerque más a la condición de trabajo real, los seis cilindros de trabajo se ensamblan con la viga superior de acuerdo con las condiciones reales.Teniendo en cuenta que la deformación del viga inferior tiene poco efecto sobre el cilindro de trabajo, el modelo de columna se intercepta a la mitad de la altura.

El tipo de rejilla del cilindro de trabajo se selecciona como la unidad tetraédrica C3D4, y los detalles del filete inferior del cilindro, la entrada de aceite y el orificio roscado se engranan y subdividen.Los cuatro cilindros laterales se dividen en 940.000 unidades, y el medio 2 Los cilindros maestros se dividen en 1,2 millones de unidades.

3.1.2 Condiciones de contorno

(1) Se aplica una presión uniforme de 31,5 MPa a la superficie de la pared interna del cilindro de trabajo y la presión del líquido se distribuye debajo de la pared interna del cilindro de trabajo.

(2) El coeficiente de fricción μ se establece en 0,1 y el tipo de contacto se selecciona como un contacto estándar de superficie a superficie.

(3) Establezca las propiedades del material del cilindro de trabajo: la relación de Poisson λ es 0,3 y el módulo elástico E es 206 000 MPa.

(4) La palanca del bloque de la viga superior está preajustada: φ200 mm (10 piezas), la fuerza de preapriete única se establece en 4000 kN y el modo de preapriete adopta la carga del perno.

(5) Preapriete de la barra de la columna: La fuerza de preapriete debe ser moderada, y la fuerza de preapriete destruirá la barra de acoplamiento;por el contrario, la parte de contacto de la viga y la columna se abrirá debido a la pre-la fuerza de apriete es demasiado pequeña.La precarga general se toma como 1,4 veces la presión nominal, 280MN es más adecuada.Entre ellos, la precarga única de 10 barras de tiro de φ400 mm se establece en 17500 kN;la precarga única de 12 barras de tiro de φ320 mm se establece en 11200kN;el método de precarga utiliza la carga de pernos.

(6) La condición de contorno de la sección sólida se aplica a la sección media de la columna.

Su modelo numérico se muestra en la Imagen 5:

3.2 Resultados y análisis de la simulación

Después del cálculo del modelo numérico del cilindro de trabajo, se observa y analiza la nube de tensión equivalente del cilindro de trabajo.

3.2.1 Resultados de la simulación y análisis del cilindro de trabajo principal intermedio

El cilindro de trabajo principal se corta para observar la distribución de tensiones internas y externas del cilindro de trabajo.El diagrama de nube de tensión equivalente del cilindro de trabajo principal intermedio se muestra en la Imagen 6:

El análisis de la nube de distribución de tensiones equivalentes del cilindro principal de trabajo muestra los siguientes resultados:

(1) El valor promedio de la distribución de tensión equivalente cerca del puerto de llenado interno del cilindro de trabajo es el más alto, entre 105 y 120 MPa.El punto más alto de la tensión equivalente es 119MP, y la posición está en el pared interna del cilindro de trabajo cerca de la parte inferior del puerto de llenado de líquido.

(2) El valor de tensión equivalente de la pared interna de la parte cilíndrica de pared gruesa del cilindro de trabajo es relativamente alto y la distribución de tensión equivalente es relativamente uniforme entre 95 y 115 MPa.

(3) El valor de tensión equivalente en la parte inferior del cilindro de trabajo es relativamente bajo, entre 68 y 85 MPa.

(4) La pared exterior de la parte cilíndrica de paredes gruesas del cilindro de trabajo tiene el valor de tensión equivalente más bajo y el valor de tensión equivalente máximo es de solo 60MP.

Los resultados numéricos muestran que la tensión equivalente máxima del cilindro de trabajo principal ocurre cerca del puerto de llenado de líquido de la pared interior, el valor es 119MP, y el material del cilindro del cilindro de trabajo 35 acero tiene un rendimiento fuerza de 240MPa después del tratamiento térmico, y su factor de seguridad es mayor que 2. Se puede demostrar además que la fuerza del cilindro de trabajo principal cumple con los requisitos de diseño.

3.2.2 Resultados de la simulación del cilindro de trabajo lateral

La imagen 7 muestra la nube de tensión equivalente del cilindro lateral.

Se realiza el análisis de la nube de distribución de esfuerzos equivalentes del cilindro de trabajo lateral y se obtienen los siguientes resultados:

(1) El esfuerzo equivalente máximo se genera cerca del puerto de llenado de líquido y su valor de esfuerzo equivalente es 129,5 MPa.

(2) La distribución de tensión equivalente de la parte cilíndrica de pared gruesa de la pared interior del cilindro es relativamente uniforme, y el valor de tensión equivalente es más alto, y el valor de tensión equivalente es 85~110MPa.

(3) La pared interior del cilindro de trabajo lateral y la superficie exterior del cilindro tienen una distribución de tensión uniforme, y la tensión equivalente es baja, y el valor de la tensión equivalente es mayormente inferior a 75 MPa.

El material del cilindro de trabajo lateral está hecho de acero 35.Después del tratamiento térmico, el límite elástico es de 240 MPa.Los resultados del cálculo numérico muestran que la tensión equivalente máxima del cilindro de trabajo lateral es de 130 MPa y la seguridad factor se calcula en 1,85.Por lo tanto, la fuerza del cilindro de trabajo lateral cumple con los requisitos de diseño.

4. Conclusión

En este documento, la teoría de diseño tradicional de la prensa hidráulica se utiliza para calcular el cilindro de trabajo de la prensa hidráulica de forja de 200 MN mediante el cálculo de la fórmula.Luego se utiliza el software de análisis de elementos finitos ABAQUS para modelar el conjunto de cilindro de trabajo en tres dimensiones, y se utiliza para el cálculo de simulación de elementos finitos estáticos.A través del análisis de la tensión equivalente de los resultados de la simulación del cilindro de trabajo, la fuerza del trabajo El cilindro cumple con los requisitos de diseño, lo que demuestra aún más que el resultado del cálculo de la fórmula tradicional es correcto y factible en la especificación de diseño del cilindro de trabajo del cilindro hidráulico.