液压拉伸器关键结构有限元分析及设计

刘军安，陈小异，黄菊生，倪小丹，谭家才

LIU Jun-an,CHEN Xiao-yi,HUANG Ju-sheng，NI Xiao-dan,TAN Jia-cai

（湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411101）

0 引言

全自动液压拉伸器是各种强化材料进行压制成型的关键设备。目前大吨位全自动液压拉伸器机架的结构型式，以三梁四柱式结构为主，经有限元分析表明，在上梁和底座立柱孔内侧有较高应力，如要改善螺母表面与上梁和底座接触状况，首先要改善该部位的应力集中问题。靠传统的工艺装备和装配方法，压机四根立柱拉伸量难以精确控制，导致各柱之间预紧力产生差异，最终使各立柱在工作状态下受力不均，导致故障率频发生，主要表现在：1）压机液压活塞与工作台面不垂直，活塞与油缸间隙单边密封圈被剪切，密封失效；2）活塞和油缸表面拉伤；3）四立柱拉伸程度不一，受力最大的立柱继续被拉长，导致活塞下行距离加长，油缸充油时间增加，压制次数减少，降低生产力；4）立柱应力集中而断裂。当其中有一个问题出现，将导致用户整条生产线停产，增加了设备的维护费用。

1 液压拉伸器设计方案

大吨位全自动液压拉伸器机架的结构型式多为三梁四柱式。四根立柱将底座、活动横梁、上横梁连为一体，两头用M320×4大螺母锁紧。在工况条件差，压制频率高（如12次/min以上）情况下，螺纹很容易被拉坏造成松动，导致自动液压压砖机四立柱受力不均衡，在工作中液压活塞与工作台面不垂直，活塞与油缸间隙单边过量磨损，最终造成高压密封圈失效。

高压液压拉伸器采用无转距结构设计，可避免螺母与横梁接触面的磨擦、螺纹变形扭曲等影响立柱预紧力等因素，使拉紧立柱受纯拉伸应力，预紧载荷精度＜2%，预紧力均匀，重复精度高，防松效果好。在装配过程中，通过测量螺栓的伸长量，控制螺栓的轴向预紧力，能排除摩擦系数、接触应力变形等因素的影响，特别适应于大功率，有振动，防松要求高的场合；且高压液压拉伸器不需要立柱深孔加工，减少加工时间和特殊刀具、机床费用，具有操作简单、安全、可靠、快速、易控制的优点，为机械设备的安装，检修带来更高的效率。为保证自动液压压砖机装配后四立柱有足够、均匀的预紧力，本课题所设计的高压液压拉伸器如图1所示。

2 拉伸器工作原理及相关参数

图1 超高压液压拉伸器设计图

先将螺母套M320X4螺纹旋入已装好的压机立柱上，套上底座，调整好中心位置，将油缸组件置于底座上，吊上拉杆，用手柄将拉杆M320X4螺纹旋入螺母套，并保证螺母套与油缸底面有足够的拉伸间隙。当高压软管快换接头连接油缸、气驱液压泵站后，开启气泵，高压油进入油缸，活塞环由于高压油的作用，缓慢向上提升，当液压力达到预紧力时，关门阀门保压，油泵停止工作，将螺母旋紧到位，保压停止，卸出高压油至油压为零。油缸液压油通过手柄旋下拉杆，活塞环压下移，液压油流回油箱。采用一只拉伸器时，需按顺序对角预紧，2-3次调整气压。采用两只拉伸器时，对角同时预紧，以保证整个压机受力均匀，变形程度最小。立柱承受工作载荷后，因所受的拉力增大而沿轴向继续伸长，其伸长量增加了Δλ，故总伸长量为λb+Δλ。与此同时，原来被压缩的被上横梁，因立柱伸长而被放松，其压缩量也随之减小。根据联接的变形协调条件，则被上横梁压缩变形的减小量应等于立柱拉伸变形的增加量。

此时的工作载荷为42000000N，上横梁材料为：ZG35；立柱材料：35CrMoA锻件。

设计工作压力为103MPa，工作温度≤60℃，活塞速度慢，密封圈单向受压，最大行程20mm。

3 高压液压拉伸器关键部件有限元分析

初步选定超高压液压拉伸器关键尺寸参数如表1所示。

表1 高压液压拉伸器初步计算参数

图2 液压立柱Solidworks2007三维建模

图3 液压立柱ANSYS中网格划分

图4 整体模型MISES应力云图

图5 整体模型位移云图仿真

图6 拉杆M320×4螺纹有限元网格划分

图7 拉杆M320×4螺纹有限元网格(局部)

图8 拉杆M320×4螺纹应力云图

图9 拉杆M320×4螺纹应力云图（局部）

根据以上参数及具体结构设计，用Solidworks2007完成三维建模,结合ANSYS9.0中A P D L语言完成网格划分及求解，分别用SOLID95、TARGE170和CONTA174三种计算单元角度进行了仿真分析与计算，结果如图2～9所示。

通过仿真计算结果并对相关设计参数做如下优化处理：1）油缸底面与两侧环面过渡圆角R3处应力较大，通过有限元分析修改成过渡圆角R8；2）当活塞环行程达到20mm时，外环面径向位移最大为0.0512mm,对密封影响不大；3）支撑座长腰形孔对结构的削弱作用大于相反面圆弧的削弱作用，减小开孔直径；4）底座φ620环面最大应力为230Mpa，满足设计要求；5）拉杆的过渡圆角R20改为R50，过渡圆角处最大应力将从576Mpa降低到379Mpa，有效降低局部应力集中；6）有限元分析结果与材料力学刚架模型计算结果相比有较大优化，并根据优化结果进行实际方案设计，获得成功。

4 结束语

本设计避免了螺母与横梁接触面的磨擦，使被紧立柱受纯拉伸应力，预紧载荷精度高，预紧力均匀，防松效果好。具有操作简单、快速、安全可靠、易控制的优点，为机械设备的装配，检修带来更高的效率。在实际设计过程中，液压拉伸器配套件，如气驱液压泵、高压软管、高压快换接头等均选用国产配件，价格实惠。且在具体使用中密封环在高液压力作用下，油缸、活塞环都没有变形，密封环唇口紧贴油缸面无泄露。

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