3000kN板材充液成形液壓機可靠性分析

何景暉

（佛山市康思達液壓機械有限公司，廣東 佛山 528000）

3000kN板材充液成形液壓機可靠性分析

何景暉

（佛山市康思達液壓機械有限公司，廣東 佛山 528000）

對3000kN板材充液成形液壓機進行了有限元分析。通過模擬，分別對主機及超高壓液室施加滿負載，以獲得機器在滿負載工作條件下的可靠性數據，為產品的后續開發提供依據。

機械制造；可靠性；板材充液成形；壓液機；有限元

1 引言

我公司近期開發了一3000kN板材充液成形液壓機，其超高壓液室最高工作壓力為150MPa。根據開發需要，要求對設備進行可靠性分析，以確定在超高壓成形條件下主機主要零部件均能可靠工作。雖然，文獻[1][2]根據“材料力學”提出了傳統液壓機主機有關強度計算公式，由于簡化計算，只能簡單地將機架的上梁和工作臺簡化成簡支梁，危險點在中間截面上，計算結果比較粗糙，不能合理反映整體應力分布情況。這里要求對整機在滿負載條件下進行強度分析，同時，由于超高壓液室內壁要求承受最高150MPa工作介質的作用，還受到壓邊缸的壓邊作用，因此，又需要對其單獨進行強度分析。在進行整體受載分析時，會遇到主要零部件間接觸變形的情況，應用傳統工程計算方法，不能充分反映零部件應力應變狀態，不易找到應力集中點。文獻[3]提出了單層厚壁筒體在內壓作用下的強度理論計算方法，但在受多向外力作用條件下的理論分析則相對較欠缺。而該液室正是工作在徑向與軸向同時受作用的條件下，因此，傳統單層厚壁筒體的強度理論計算也不能充分反映液室的實際工況。有限元法及相關應用軟件的出現，為分析計算類似的工程問題提供了較為精確有效的手段，分析結果直觀，便于作進一步分析。對此，本文將采用相應的有限元軟件分別對整機及超高壓液室進行分析。

2 機器結構與有限元模型

液壓機主機主要由上梁、工作臺、立柱、主缸體、活塞桿、壓邊缸活塞、液室等組成。各主要部件間通過剛性聯接并在工作介質的作用下產生相互作用，在分析時可將壓力代替工作介質作用在相應零件上，其余零件間的相互作用由接觸條件產生[4]。主要部件用材的相關性能參數見表1。

表1 主要部件用材及力學性能

液壓機主機實體外形結構如圖1。考慮到載荷的對稱性，結構設計的對稱性，故模型可以取其1/4進行分析，并不會影響實際應力分布[5]。網格劃分采用四節點四面體實體單元，共劃分有節點22925個，單元13451個，見圖2所示。

3 超高壓液室有限元模型

根據要求，需對超高壓液室單獨進行強度分析。該液室主體為單層厚壁筒體結構，選用材料40Cr，實體結構如圖3所示。考慮到其結構比較簡單，可將其簡化為平面軸對稱實體，以方便進行分析[6]。網格劃分采用四節點平面軸對稱實體單元，如圖4所示。

4 邊界條件設定

對于整機強度分析，主缸及壓邊缸均采用活塞式結構，工作時，缸內及液室內均作用有壓力油，均勻分布于缸體內壁、活塞上表面及液室內壁。這里主要考慮主機的軸向受載情況，因此，根據設計要求，在主缸施加壓力載荷23.5MPa，在壓邊缸活塞上施加壓力載荷25MPa，在液室內施加壓力載荷150MPa。考慮到主機的工作狀況及其結構的對稱性，在其結構對稱面上的節點處施加對稱約束條件，并在其軸線位置施加一豎直方向約束條件。同時把主缸體/上梁、壓邊缸活塞/超高壓液室以及液室/工作臺接觸面定義為無穿透接觸。

對超高壓液室強度分析，將該液室簡化為平面軸對稱實體結構，分析時在其左側施加水平約束條件，在其右側對應壓邊圈的位置施加壓力載荷10MPa，在其內壁施加壓力載荷150MPa。

5 有限元計算

主機在最大工作載荷時的當量Von Mises應力σd以及x軸向最大主應力分布如圖5和圖6所示。

根據計算的結果可以發現，各主要零件最大當量Von Mises應力基本上都在主機對稱界面（危險截面）上；機架最大當量Von Mises應力157MPa出現在上梁左右對稱截面的下底面，與主缸體法蘭連接的位置；主缸體的最大當量Von Mises應力88MPa位于缸底；主機最大當量Von Mises應力位于超高壓液室的內壁，達到270MPa。通過比較各材料的力學性能，可以發現主機各主要零件的應力均在材料許用應力范圍內，其中上梁與超高壓液室剛好達到材料許用應力值。考慮到當量Von Mises應力為合成應力，所以對以上兩零件危險部位還需要結合最大主應力進行分析。上梁危險部位主要受力為壓應力175MPa，沒有達到使其產生塑性變形的范圍，而且應力區域不大，僅限于與主缸體法蘭連接的一小部分，因此，雖然該部位的當量Von Mises應力剛好達到材料許用應力值，其安全系數為1.5，認為安全。

超高壓液室，最大主應力分布如圖7所示。

可以看出，在150MPa內壓及壓邊缸作用下，其主要應力均為拉應力,內壁最大主拉應力為175MPa,外壁則為35MPa。雖然內壁的主拉應力較高，但影響區域不大，在徑向距離內壁28mm的材料內部，應力值已下降為110MPa左右。結合材料的許用應力[σ]，若液室內壁產生微量塑性變形，會對液室內壁產生自增強效果，會加強材料局部強度[3]，因此，可以判定該超高壓液室在這樣的工作條件下安全。

通過上述分析可知，主機部分除了機架上梁安全系數在1.5，其余各零件安全系數均高于1.5，達到2以上，由此，判定液壓機在滿負載的條件下可以安全工作。

6 結論

根據以上的模擬分析及結果，可得出以下結論：

（1）應用有限元軟件可以對類似液壓機作整機受載分析，并可以對其實際工作條件作有效模擬，從而為機器的設計開發提供數據指導，大大縮短了開發的周期與成本。

（2）雖然機架上梁局部及超高壓液室內壁當量Von Mises應力達到各自材料的許用應力值 [σ]，但通過對其主應力作進一步分析，可判定其工作條件安全。

（3）通過分析，主機各主要零件在滿負載的工作條件下，除機架上梁局部安全系數為1.5外，其余部分安全系數均達到2以上。由此可判定主機在滿負載條件下工作可靠。

[1] 帥長紅.液壓機設計、制造新工藝新技術及質量檢驗標準規范實務全書.北方工業出版社，2006.

[2]天津鍛壓機床廠.中小型液壓機設計計算.天津:人民出版社，1977.

[3] 邵國華，魏兆燦，等.超高壓容器.化學工業出版社，2002.

[4] 韓小明，張 雷，張連洪.新型缸動式液壓機整機有限元分析.鍛壓裝備與制造技術，2007，42（1）：12-14.

[5] 林道盛，等.鍛壓機械及其有限元計算[M].北京工業大學出版社,1998.

[6] 陳火紅，于軍泉，席源山.MSC.MARC/MENTAT 2003基礎與應用實例.科學出版社，2004.

Analysis of reliability for 3000kN sheet hydroforming machine

HE Jinghui
（Foshan Constant Hydraulic Machinery Co.，Ltd.，Foshan 528000，Guangdong China）

A finite element analysis for the 3000kN sheet hydroforming machine has been conducted in the text.Through simulation，the reliable data have been achieved by simulating the main frame and super high pressure hydro-chamber under full-load conditions，which provides reference to the next-step development.

Reliability；Sheet hydroforming；Press；Finite element

TG315.4

B

1672－0121(2011)06－0019－03

2011-07-15

何景暉（1977-），男，研發中心副主任，從事重型及新型液壓機械研發設計