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Diseño estructural y análisis de elementos finitos del cilindro de trabajo de prensas hidráulicas de gran forja

Número Navegar:22     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2018-10-23      Origen:motorizado Su mensaje

  1. Introducción

  El cilindro de trabajo es un importante accionador de la máquina hidráulica. Convierte la energía de presión del líquido en energía mecánica. Se divide en tipo de émbolo, tipo de pistón, tipo de giro y tipo telescópico según eltipo de estructura El cilindro de trabajo de la prensa hidráulica de forja 200MN 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 tradicionalLa teoría del diseño de la prensa hidráulica es la base principal para el diseño estructural del cilindro de trabajo.

  ABAQUS está capacitado para 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 numéricamenteSimular el cilindro hidráulico, la distribución de la 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.

  Con el fin de 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 cilindros 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 en gran medida el costo. La estructura del cuerpo y la disposición del cilindro de trabajo se muestran en la Imagen 1 y en la Imagen 2.

Diseño estructural (2)

Diseño estructural (3)

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

  La conexión de bisagra de bola única es adecuada para el deslizador y los cuatro émbolos de cilindro pequeño en el lado, y la conexión de bisagra de bola doble es el mejor método de conexión para el deslizador y los dos émbolos del cilindro maestro central.como se muestra en la Imagen 3a, b.

Diseño estructural (4)

  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 200MN forja prensa hidráulica trabaja bajo la alta presión de31.5MPa, y la estructura es grande, es difícil de forjar integralmente. Por lo tanto, se forja mediante soldadura de acero 35, y se normaliza y atempera, y su resistencia de rendimiento es de 240MPa.

  El émbolo se mueve alternativamente en el cilindro y tiene una gran influencia en el desgaste del manguito guía y del sello, por lo que la superficie del émbolo debe tener suficiente dureza y buen acabado de superficie. Para cumplir con este requisito, el émbologeneralmente está hecho de acero forjado al carbono con un alto contenido de carbono y se somete a un tratamiento de refuerzo de la superficie 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 de 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 D del émbolo se determina mediante la siguiente fórmula:

Diseño estructural (5)

  A partir de la fórmula (1), se calcula D = 1557.7mm y, después del redondeo, se toma D = 1560mm y el diámetro interior D1 del cilindro hidráulico se conecta con el émbolo.

Se relaciona con el hueco t de la pared interna del cilindro, y es preferible tomar 15 mm de acuerdo con la experiencia t.

Diseño estructural (6)

  De acuerdo con la fórmula anterior (2), 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:

Diseño estructural (7)

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

Diseño estructural (8)

  r1 ——— Radio interior del cilindro (mm)

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

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

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

  La presión nominal de los cuatro cilindros de trabajo en el lado es de 80 MPa. De manera similar, los parámetros estructurales del cilindro de trabajo lateral pueden obtenerse preliminarmente de la siguiente manera:

  Diámetro del émbolo D = 900 mm, Δt = 10 mm, diámetro interno del cilindro hidráulico D1 = 920 mm, diámetro externo 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 resistenciaLa comprobación se realiza de acuerdo con el modelo mecánico simplificado. Sin embargo, debido a la compleja estructura del cilindro hidráulico, es difícil establecer modelos mecánicos y matemáticos precisos, especialmente en el esfuerzozona de concentración. Usando el método de elementos finitos para calcular el cilindro hidráulico, se puede determinar con precisión la distribución de esfuerzos del cilindro hidráulico, y luego se analiza la racionalidad del diseño estructural. El principalLas dimensiones del cilindro de trabajo se muestran en la Figura 4.

Diseño estructural (9)

  3.1 Establecimiento del modelo de elementos finitos.

  3.1.1 Modelo estructural y división de unidades.

  Para realizar el cálculo del cilindro de trabajo más cercano a las condiciones de trabajo reales, los seis cilindros de trabajo se ensamblan con la viga superior de acuerdo con las condiciones reales. Teniendo en cuenta que la deformación de laLa viga inferior tiene poco efecto en 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 están entrelazados y subdivididos. Los cuatro cilindros laterales están divididos en 940,000.unidades, y el medio 2 Los cilindros maestros se dividen en 1.2 millones de unidades.

  3.1.2 Condiciones de frontera

  (1) Se aplica una presión uniforme de 31.5 MPa a la superficie de la pared interior del cilindro de trabajo, y la presión del líquido se distribuye debajo de la pared interior 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-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 de bloqueo de la viga superior está preajustada: φ200 mm (10 piezas), la fuerza de preenganche única se establece en 4000kN y el modo de prensado adopta la carga de perno.

  (5) Ajuste previo de la barra de la columna: la fuerza de ajuste previo debe ser moderada, y la fuerza de ajuste previo destruirá la barra de acoplamiento; por el contrario, la parte de contacto de la viga y la columna se abrirán 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 adecuado. Entre ellos, la precarga única de barras de tiro de 10 draw400mm se establece en 17500kN; la precarga única de 12 barras de tiro de draw320mmse establece en 11200kN; El método de precarga utiliza carga de perno.

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

  Su modelo numérico se muestra en la Imagen 5:

Diseño estructural (10)

  3.2 Simulación de resultados y análisis.

  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 simulación y análisis de cilindro de trabajo principal intermedio

  El cilindro de trabajo principal se abre para observar la distribución de la tensión interna y externa del cilindro de trabajo. El diagrama de nubes de tensión equivalente del cilindro de trabajo principal intermedio se muestra en la Figura 6:

Diseño estructural (11)

  El análisis de la nube de distribución de tensión equivalente del cilindro de trabajo principal 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 elPared interior del cilindro de trabajo cerca de la parte inferior del puerto de llenado de líquido.

  (2) El valor de esfuerzo equivalente de la pared interior de la parte cilíndrica de pared gruesa del cilindro de trabajo es relativamente alto, y la distribución de esfuerzo 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 pared gruesa del cilindro de trabajo tiene el valor de esfuerzo equivalente más bajo, y el valor de esfuerzo equivalente máximo es de solo 60MP.

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

  3.2.2 Resultados de simulación de cilindro de trabajo lateral

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

Diseño estructural (12)

  Se lleva a cabo el análisis de la nube de distribución de tensión equivalente del cilindro de trabajo lateral y se obtienen los siguientes resultados:

  (1) La tensión equivalente máxima se genera cerca del puerto de llenado de líquido, y su valor de tensión 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 mayor, 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 tensión equivalente está en su mayoría por debajo de 75 MPa.

  El material del cilindro de trabajo lateral está hecho de acero 35. Después del tratamiento térmico, el límite elástico es de 240MPa. Los resultados del cálculo numérico muestran que la tensión equivalente máxima del cilindro de trabajo lateral es de 130 MPa, y la seguridadEl factor se calcula para ser 1.85. Por lo tanto, la resistencia 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 usa el software de análisis de elementos finitos ABAQUS para modelar elconjunto de cilindro de trabajo en tres dimensiones, y se utiliza para el cálculo de simulación estática de elementos finitos. A través del análisis de la tensión equivalente de los resultados de simulación del cilindro de trabajo, la fuerza del trabajoel cilindro cumple con los requisitos de diseño, lo que demuestra además 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.

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