Projeto Estrutural e Análise de Elementos Finitos de Cilindro de Trabalho de Prensa Hidráulica de Grande Forjamento

1. Introdução

O cilindro de trabalho é um atuador importante da máquina hidráulica.Ele converte a energia de pressão do líquido em energia mecânica.É dividido em tipo de êmbolo, tipo de pistão, tipo de giro e tipo telescópico de acordo com o tipo de estrutura.O cilindro de trabalho do forjamento 200MN pressão hidráulica adota um tipo de êmbolo, que possui estrutura simples e é de fácil fabricação.É uma forma estrutural comumente usada em grandes máquinas hidráulicas.O tradicional A teoria do projeto da prensa hidráulica é a base principal para o projeto estrutural do cilindro de trabalho.

O ABAQUS é hábil na solução de problemas complexos e alcançou o líder mundial em software de análise de elementos finitos.É amplamente utilizado em máquinas, militares, químicos, automotivos e outros campos industriais.Usando o ABAQUS para calcular numericamente simular o cilindro hidráulico, a distribuição de tensão do cilindro de trabalho pode ser determinada com precisão e a racionalidade de seu projeto estrutural pode ser analisada.

2. Projeto estrutural do cilindro de trabalho

A fim de economizar energia, especialmente para reduzir o consumo de energia, a prensa hidráulica de forjamento 200MN usa seis cilindros de trabalho em três linhas.Os 6 cilindros de trabalho podem gerar 200 MN de pressão ao mesmo tempo, e os 4 pequenos cilindros de trabalho em ambos os lados podem gerar 80 MN de pressão, e os 2 grandes cilindros de trabalho do meio podem gerar 120 MN de pressão.Os cilindros de trabalho com diferentes movimentos podem gerar 3 níveis de pressão e diferentes peças forjadas podem ser produzidas para selecionar o nível de pressão correspondente, o que economiza muito o custo.A estrutura do corpo e o layout do cilindro de trabalho são mostrados na Figura 1 e na Figura 2.

Para melhorar a vida útil do cilindro de trabalho, o projeto usa diretamente o parafuso para fixar o bloco de cilindros na viga superior, ou seja, o suporte inferior é usado.Isso não apenas melhora a rigidez e a resistência da viga superior, mas também reduz o estresse da parede do cilindro de trabalho.

A conexão da dobradiça de esfera única é adequada para o controle deslizante e os quatro êmbolos do cilindro pequeno na lateral, e a conexão da dobradiça de esfera dupla é o melhor método de conexão para o controle deslizante e os dois êmbolos do cilindro mestre do meio, como mostrado na Figura 3a, b .

Quando a pressão de trabalho do cilindro de trabalho é superior a 20 MPa, o forjamento de aço carbono é o principal modo de produção do cilindro de trabalho.O cilindro de trabalho da prensa hidráulica de forjamento de 200MN funciona sob alta pressão de 31.5MPa, e a estrutura é grande, é difícil forjar integralmente.Portanto, é forjado por soldagem de aço 35, e é normalizado e revenido, e seu limite de elasticidade é de 240MPa.

O êmbolo é recíproco no cilindro e tem grande influência no desgaste da luva guia e da vedação, portanto a superfície do êmbolo deve ter dureza suficiente e bom acabamento superficial.Para atender a esse requisito, o êmbolo geralmente é feito de aço forjado de carbono com alto teor de carbono e submetido a tratamento de reforço de superfície após a usinagem.O êmbolo da máquina hidráulica é forjado em aço 45.

A pressão nominal de trabalho do cilindro de trabalho intermediário é de 120MN, e o cálculo do projeto de seus parâmetros estruturais é o seguinte:

De acordo com a pressão total nominal F(N) que o cilindro hidráulico deve produzir e a pressão de trabalho do líquido selecionada P (MPa), o diâmetro do êmbolo D é determinado pela seguinte fórmula:

Da fórmula (1), D = 1557,7 mm é calculado e, após o arredondamento, D = 1560 mm é obtido e o diâmetro interno D1 do cilindro hidráulico é conectado ao êmbolo.

Está relacionado com a folga Δt da parede interna do cilindro, sendo preferível levar 15mm de acordo com a experiência Δt.

De acordo com a fórmula (2) acima, o diâmetro interno D1 do cilindro hidráulico é determinado em 1590 mm.De acordo com a fórmula empírica, o diâmetro externo do cilindro hidráulico D2 é:

[σ] tome 120MPa, de acordo com a fórmula acima (2), encontre o diâmetro externo D2 do cilindro hidráulico é 2153mm e de acordo com a fórmula:

r1———Raio interno do cilindro (mm)

r2———Raio externo do cilindro hidráulico (mm)

Calculado pela equação (4), r2≥1076,5mm, considere D2=2*r2 = 2250mm.

Espessura inferior do cilindro: t=(1,5~2)*(r2-r1) (5)

A pressão nominal dos quatro cilindros de trabalho na lateral é de 80 MPa.Da mesma forma, os parâmetros estruturais do cilindro de trabalho lateral podem ser obtidos preliminarmente da seguinte forma:

Diâmetro do êmbolo D=900mm, Δt=10mm, diâmetro interno do cilindro hidráulico D1=920mm, diâmetro externo D2=1360mm, espessura inferior do cilindro t=300mm.

3. Simulação numérica e análise de resultados do cilindro de trabalho

Atualmente, a maioria dos cilindros hidráulicos usa o algoritmo empírico da mecânica elástica.De acordo com os parâmetros básicos do projeto, os parâmetros básicos do projeto são determinados com referência aos dados relevantes e, em seguida, a resistência a verificação é realizada de acordo com o modelo mecânico simplificado.No entanto, devido à complexa estrutura do cilindro hidráulico, é difícil estabelecer modelos mecânicos e matemáticos precisos, especialmente no estresse zona de concentração.Usando o método dos elementos finitos para calcular o cilindro hidráulico, a distribuição de tensões do cilindro hidráulico pode ser determinada com precisão e, em seguida, a racionalidade do projeto estrutural é analisada.O principal As dimensões do cilindro de trabalho são mostradas na Figura 4.

3.1 Estabelecimento do modelo de elementos finitos

3.1.1 Modelo estrutural e divisão de unidades

Para tornar o cálculo do cilindro de trabalho mais próximo da condição real de trabalho, os seis cilindros de trabalho são montados com a viga superior de acordo com as condições reais.Considerando que a deformação do viga inferior tem pouco efeito sobre o cilindro de trabalho, o modelo de coluna é interceptado a metade da altura.

O tipo de grade do cilindro de trabalho é selecionado como a unidade tetraédrica C3D4, e os detalhes do filete inferior do cilindro, a entrada de óleo e o furo roscado são mesclados e subdivididos.Os quatro cilindros laterais são divididos em 940.000 unidades, e o meio 2 Os cilindros mestres são divididos em 1,2 milhões de unidades.

3.1.2 Condições de contorno

(1) Uma pressão uniforme de 31,5 MPa é aplicada à superfície da parede interna do cilindro de trabalho e a pressão do líquido é distribuída abaixo da parede interna do cilindro de trabalho.

(2) O coeficiente de atrito μ é definido como 0,1 e o tipo de contato é selecionado como um contato superfície-superfície padrão.

(3) Defina as propriedades do material do cilindro de trabalho: a razão de Poisson λ é 0,3 e o módulo de elasticidade E é 206.000 MPa.

(4) A alavanca do bloco da viga superior é pré-apertada: φ200mm (10 peças), a força de pré-aperto única é definida para 4000kN e o modo de pré-aperto adota a carga do parafuso.

(5) Pré-aperto da haste da coluna: A força de pré-aperto deve ser moderada e a força de pré-aperto destruirá o tirante;pelo contrário, a parte de contato da viga e da coluna será aberta devido ao pré-a força de aperto é muito pequena.A pré-carga geral é considerada como 1,4 vezes a pressão nominal, 280MN é mais adequado.Entre eles, a pré-carga única de 10 φ400mm é ajustada para 17500kN;a pré-carga única de 12 barras de tração de φ320 mm é ajustado para 11200kN;o método de pré-carregamento usa carga de parafuso.

(6) A condição de contorno da seção sólida é aplicada à seção intermediária da coluna.

Seu modelo numérico é mostrado na Figura 5:

3.2 Resultados e análises da simulação

Após o cálculo do modelo numérico do cilindro de trabalho, a nuvem de tensão equivalente do cilindro de trabalho é observada e analisada.

3.2.1 Resultados da simulação e análise do cilindro de trabalho principal intermediário

O cilindro de trabalho principal é aberto para observar a distribuição de tensão interna e externa do cilindro de trabalho.O diagrama de nuvem de tensão equivalente do cilindro de trabalho principal intermediário é mostrado na Figura 6:

A análise da nuvem de distribuição de tensão equivalente do cilindro principal de trabalho mostra os seguintes resultados:

(1) O valor médio da distribuição de tensões equivalentes próximo ao orifício de enchimento interno do cilindro de trabalho é o mais alto, entre 105 e 120 MPa.O ponto mais alto do estresse equivalente é 119MP, e a posição está na parede interna do cilindro de trabalho perto da parte inferior da porta de enchimento de líquido.

(2) O valor de tensão equivalente da parede interna da parte cilíndrica de parede espessa do cilindro de trabalho é relativamente alto e a distribuição de tensão equivalente é relativamente uniforme entre 95 e 115 MPa.

(3) O valor da tensão equivalente no fundo do cilindro de trabalho é relativamente baixo, entre 68 e 85 MPa.

(4) A parede externa da parte cilíndrica de parede espessa do cilindro de trabalho tem o menor valor de tensão equivalente, e o valor máximo de tensão equivalente é de apenas 60MP.

Os resultados numéricos mostram que a tensão equivalente máxima do cilindro de trabalho principal ocorre perto da porta de enchimento de líquido da parede interna, o valor é 119MP, e o material do cilindro de trabalho 35 aço tem um rendimento força de 240MPa após o tratamento térmico, e seu fator de segurança é maior que 2. Pode-se provar ainda que a força do cilindro de trabalho principal atende aos requisitos de projeto.

3.2.2 Resultados da simulação do cilindro de trabalho lateral

A Figura 7 mostra a nuvem de tensão equivalente do cilindro lateral.

A análise da nuvem de distribuição de tensão equivalente do cilindro de trabalho lateral é realizada e os seguintes resultados são obtidos:

(1) A tensão equivalente máxima é gerada perto da porta de enchimento de líquido e seu valor de tensão equivalente é 129,5 MPa.

(2) A distribuição de tensão equivalente da parte cilíndrica de parede espessa da parede interna do cilindro é relativamente uniforme, e o valor de tensão equivalente é maior, e o valor de tensão equivalente é 85~110MPa.

(3) A parede interna do cilindro de trabalho lateral e a superfície externa do cilindro têm distribuição de tensão uniforme, e a tensão equivalente é baixa, e o valor de tensão equivalente é principalmente abaixo de 75MPa.

O material do cilindro de trabalho lateral é feito de aço 35.Após o tratamento térmico, o limite de escoamento é de 240MPa.Os resultados do cálculo numérico mostram que a tensão equivalente máxima do cilindro de trabalho lateral é 130MPa e a segurança fator é calculado para ser 1,85.Portanto, a força do cilindro de trabalho lateral atende aos requisitos de projeto.

4. Conclusão

Neste artigo, a teoria de design tradicional da prensa hidráulica é usada para calcular o cilindro de trabalho da prensa hidráulica de forjamento de 200 MN pelo cálculo da fórmula.Em seguida, o software de análise de elementos finitos ABAQUS é usado para modelar o conjunto de cilindro de trabalho em três dimensões, e é usado para cálculo de simulação estática de elementos finitos.Através da análise da tensão equivalente dos resultados da simulação do cilindro de trabalho, a força do trabalho O cilindro atende aos requisitos de projeto, o que prova ainda mais que o resultado do cálculo da fórmula tradicional é correto e viável na especificação de projeto do cilindro de trabalho do cilindro hidráulico.