Konstrukční návrh a analýza konečných prvků pracovního válce velkého kovacího hydraulického lisu

1. Úvod

Pracovní válec je důležitým pohonem hydraulického stroje.Přeměňuje tlakovou energii kapaliny na mechanickou energii.Podle typu se dělí na typ pístu, typ pístu, typ výkyvu a teleskopický typ typ struktury.Pracovní válec výkovku 200MN hydraulický lis používá pístový typ, který má jednoduchou konstrukci a snadno se vyrábí.Jedná se o konstrukční formu běžně používanou u velkých hydraulických strojů.Tradiční Konstrukční teorie hydraulického lisu je hlavním podkladem pro konstrukční návrh pracovního válce.

ABAQUS je zručný v řešení složitých problémů a dosáhl světového špičkového softwaru pro analýzu konečných prvků.Je široce používán ve strojírenství, armádě, chemii, automobilovém průmyslu a dalších průmyslových odvětvích.Pomocí ABAQUS numericky simulovat hydraulický válec, lze přesně určit rozložení napětí pracovního válce a analyzovat racionalitu jeho konstrukčního návrhu.

2. Konstrukční řešení pracovního válce

Za účelem úspory energie, zejména snížení spotřeby energie, používá kovací hydraulický lis 200MN šest pracovních válců ve třech řadách.6 pracovních válců může generovat tlak 200 MN současně a 4 malé pracovní válce na obou stranách mohou vyvinout tlak 80 MN a prostřední 2 velké pracovní válce mohou vyvinout tlak 120 MN.Pracovní válce s různými pohyby mohou vytvářet 3 úrovně tlaku a různé výkovky lze vyrábět pro výběr odpovídající úrovně tlaku, což výrazně šetří náklady.Struktura těla a rozmístění pracovního válce je na obrázku 1 a obrázku 2.

Aby se zlepšila životnost pracovního válce, konstrukce přímo používá šroub k upevnění bloku válců na horním nosníku, to znamená, že se používá spodní podpěra.To nejen zlepšuje tuhost a pevnost horního nosníku, ale také snižuje namáhání stěny válce pracovního válce.

Jedno kulové kloubové spojení je vhodné pro jezdec a čtyři malé válečkové plunžry na straně a dvojité kulové kloubové spojení je nejlepší způsob připojení jezdce a prostředních dvou hlavních válcových pístů, jak je znázorněno na obrázku 3a, b.

Když je pracovní tlak pracovního válce vyšší než 20 MPa, je hlavním výrobním režimem pracovního válce kování z uhlíkové oceli.Pracovní válec kovacího hydraulického lisu 200MN pracuje pod vysokým tlakem 31,5 MPa, a struktura je velká, je obtížné vykovat integrálně.Proto je kován svařováním oceli 35 a je normalizován a popouštěn a jeho mez kluzu je 240MPa.

Píst se ve válci pohybuje vratně a má velký vliv na opotřebení vodícího pouzdra a těsnění, takže povrch pístu musí mít dostatečnou tvrdost a dobrou povrchovou úpravu.Aby byl tento požadavek splněn, píst je obecně vyrobena z uhlíkové kované oceli s vysokým obsahem uhlíku a po obrábění podrobena povrchovému zpevnění.Hydraulický plunžr stroje je vykován z oceli 45.

Jmenovitý pracovní tlak mezilehlého pracovního válce je 120 MN a konstrukční výpočet jeho konstrukčních parametrů je následující:

Podle jmenovitého celkového tlaku F(N), který by měl hydraulický válec vyvinout, a zvoleného pracovního tlaku kapaliny P (MPa), je průměr plunžru D určen podle následujícího vzorce:

Ze vzorce (1) se vypočítá D=1557,7mm a po zaokrouhlení se vezme D=1560mm a vnitřní průměr D1 hydraulického válce je spojen s plunžrem.

Vztahuje se k mezeře Δt vnitřní stěny válce a je výhodné vzít 15 mm podle zkušenosti Δt.

Podle výše uvedeného vzorce (2) je vnitřní průměr D1 hydraulického válce stanoven na 1590 mm.Podle empirického vzorce je vnější průměr hydraulického válce D2:

[σ] vezměte 120MPa, podle výše uvedeného vzorce (2), najděte vnější průměr D2 hydraulického válce 2153 mm a podle vzorce:

r1———Vnitřní poloměr válce (mm)

r2———Vnější poloměr hydraulického válce (mm)

Vypočteno podle rovnice (4), r2≥1076,5mm, vezměte D2=2*r2 = 2250mm.

Tloušťka dna válce: t=(1,5~2)*(r2-r1) (5)

Jmenovitý tlak čtyř pracovních válců na straně je 80 MPa.Podobně lze konstrukční parametry bočního pracovního válce předběžně získat takto:

Průměr plunžru D=900mm, Δt=10mm, hydraulický válec vnitřní průměr D1=920mm, vnější průměr D2=1360mm, tloušťka dna válce t=300mm.

3. Numerická simulace a analýza výsledků pracovního válce

V současné době většina hydraulických válců využívá empirický algoritmus elastické mechaniky.Podle základních návrhových parametrů se stanoví základní návrhové parametry s odkazem na relevantní údaje a následně pevnost kontrola se provádí podle zjednodušeného mechanického modelu.Vzhledem ke složité struktuře hydraulického válce je však obtížné stanovit přesné mechanické a matematické modely, zejména při namáhání koncentrační zóna.Pomocí metody konečných prvků pro výpočet hydraulického válce lze přesně určit rozložení napětí hydraulického válce a poté analyzovat racionalitu konstrukčního návrhu.Hlavní rozměry pracovního válce jsou na obrázku 4.

3.1 Sestavení modelu konečných prvků

3.1.1 Konstrukční model a členění jednotek

Aby se výpočet pracovního válce přiblížil skutečnému pracovnímu stavu, je šest pracovních válců smontováno s horním nosníkem podle skutečných podmínek.Vzhledem k tomu, že deformace spodní nosník má malý vliv na pracovní válec, model sloupu je zachycen do poloviny výšky.

Typ mřížky pracovního válce je vybrán jako čtyřstěnná jednotka C3D4 a detaily spodního zaoblení válce, vstupu oleje a otvoru se závitem jsou propojeny a rozděleny.Čtyři boční válce jsou rozděleny na 940 000 jednotky a střední 2 Hlavní válce jsou rozděleny na 1,2 milionu jednotek.

3.1.2 Okrajové podmínky

(1) Na povrch vnitřní stěny pracovního válce působí rovnoměrný tlak 31,5 MPa a tlak kapaliny je rozváděn pod vnitřní stěnu pracovního válce.

(2) Koeficient tření μ je nastaven na 0,1 a typ kontaktu je zvolen jako standardní kontakt povrch-povrch.

(3) Nastavte vlastnosti materiálu pracovního válce: Poissonův poměr λ je 0,3 a modul pružnosti E je 206 000 MPa.

(4) Horní páka bloku nosníku je předem utažena: φ200 mm (10 kusů), jediná síla předběžného utažení je nastavena na 4000 kN a režim předběžného utažení využívá zatížení šroubu.

(5) Předběžné utažení tyče sloupku: Síla předběžného utažení by měla být mírná a síla předběžného utažení zničí spojovací tyč;naopak dojde k otevření kontaktní části nosníku a sloupu z důvodu před-utahovací síla je příliš malá.Celkové předpětí se bere jako 1,4násobek jmenovitého tlaku, vhodnější je 280MN.Mezi nimi je jediné předpětí 10 φ400 mm oje nastaveno na 17500 kN;jediné předpětí 12 φ320 mm ojí je nastaven na 11200 kN;metoda předběžného zatížení používá Bolt load.

(6) Okrajová podmínka objemové části se aplikuje na střední část sloupu.

Jeho numerický model je znázorněn na obrázku 5:

3.2 Výsledky a analýzy simulace

Po výpočtu numerického modelu pracovního válce je sledován a analyzován oblak ekvivalentního napětí pracovního válce.

3.2.1 Výsledky simulace a analýza mezilehlého hlavního pracovního válce

Hlavní pracovní válec se rozřízne, aby bylo možné pozorovat vnitřní a vnější rozložení napětí pracovního válce.Diagram ekvivalentního napětí mezilehlého hlavního pracovního válce je znázorněn na obrázku 6:

Analýza ekvivalentního mraku rozložení napětí hlavního pracovního válce ukazuje následující výsledky:

(1) Průměrná hodnota rozložení ekvivalentního napětí v blízkosti vnitřního plnicího otvoru pracovního válce je nejvyšší, mezi 105 a 120 MPa.Nejvyšší bod ekvivalentního napětí je 119MP a poloha je na vnitřní stěna pracovního válce poblíž spodní části otvoru pro plnění kapaliny.

(2) Hodnota ekvivalentního napětí vnitřní stěny silnostěnné válcové části pracovního válce je poměrně vysoká a rozložení ekvivalentního napětí je relativně rovnoměrné mezi 95 a 115 MPa.

(3) Hodnota ekvivalentního napětí na dně pracovního válce je relativně nízká, mezi 68 a 85 MPa.

(4) Vnější stěna silnostěnné válcové části pracovního válce má nejnižší hodnotu ekvivalentního napětí a maximální hodnota ekvivalentního napětí je pouze 60 MP.

Číselné výsledky ukazují, že maximální ekvivalentní napětí hlavního pracovního válce se vyskytuje v blízkosti otvoru pro plnění kapaliny na vnitřní stěně, hodnota je 119 MP a materiál pracovního válce 35 ocel má průtažnost. pevnost 240MPa po tepelném zpracování a jeho bezpečnostní faktor je větší než 2. Dále lze prokázat, že pevnost hlavního pracovního válce splňuje konstrukční požadavky.

3.2.2 Výsledky simulace bočního pracovního válce

Obrázek 7 ukazuje ekvivalentní oblak napětí bočního válce.

Je provedena analýza ekvivalentního rozložení napětí na bočním pracovním válci a jsou získány následující výsledky:

(1) Maximální ekvivalentní napětí je generováno v blízkosti otvoru pro plnění kapaliny a jeho hodnota ekvivalentního napětí je 129,5 MPa.

(2) Ekvivalentní rozložení napětí silnostěnné válcové části vnitřní stěny válce je relativně rovnoměrné a hodnota ekvivalentního napětí je vyšší a hodnota ekvivalentního napětí je 85~110MPa.

(3) Vnitřní stěna bočního pracovního válce a vnější povrch válce mají rovnoměrné rozložení napětí a ekvivalentní napětí je nízké a hodnota ekvivalentního napětí je většinou pod 75 MPa.

Materiál bočního pracovního válce je vyroben z oceli 35.Po tepelném zpracování je mez kluzu 240 MPa.Výsledky numerického výpočtu ukazují, že maximální ekvivalentní napětí bočního pracovního válce je 130 MPa a bezpečnost faktor je vypočítán na 1,85.Proto pevnost bočního pracovního válce odpovídá konstrukčním požadavkům.

4. Závěr

V tomto příspěvku je tradiční konstrukční teorie hydraulického lisu použita pro výpočet pracovního válce 200 MN kovacího hydraulického lisu pomocí vzorce.Poté je k modelování použit software pro analýzu konečných prvků ABAQUS sestava pracovního válce ve třech rozměrech a používá se pro statický výpočet metodou konečných prvků.Prostřednictvím analýzy ekvivalentního namáhání pracovního válce výsledky simulace, pevnost práce válec splňuje konstrukční požadavky, což dále dokazuje, že výsledek výpočtu podle tradičního vzorce je správný a proveditelný ve specifikaci konstrukce pracovního válce hydraulického válce.