大型锻造操作机用倾斜缸缸底法兰的计算

房志远，罗远新，张营杰

(1．中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032;2．重庆大学机械工程学院，重庆 400030)

0 前言

倾斜缸是锻造操作机升降机构的重要组成部分，其工作可靠性直接影响锻造操作机的整体性能。对大型锻造操作机而言，若倾斜缸发生故障，不仅维修非常麻烦，而且会引发安全事故;由于倾斜缸零部件几何尺寸较大，一旦发生破坏，将会造成较大的经济损失。倾斜缸缸底法兰是倾斜缸的关键零件，由于目前关于大型油缸缸底法兰的设计方法少有介绍，设计时一般只好对已有结构进行类比。

本文采用巴赫 (Bach) 法［1，2］对倾斜缸缸底法兰全断面上的弯曲应力以及翼缘处的弯曲应力进行计算，并通过有限元法分析各种因素对缸底法兰弯曲应力的影响，提出改善缸底法兰受力情况的几项措施，为同类型零部件的设计优化提供参考。

1 倾斜缸缸底法兰弯曲应力的计算［1，2］

按照传统设计方法，根据倾斜缸缸底法兰与普通法兰结构的相似性，一般采用巴赫法进行核算。巴赫法是将法兰圆环展开拉直，假设成一个受力的悬臂梁来计算。此种计算方法简单易行，为设计者广泛采用。

倾斜缸缸底法兰的结构简图如图1所示。通常选取两个断面对其弯曲应力进行校核:一是校核全断面A－A上的平均弯曲应力σw1，二是校核法兰翼缘B－B处的弯曲应力σw2，三是校核法兰底部开孔处的应力σw3。

图中:D为法兰外径，D=700 mm;d为中心开孔直径，d=18 mm;d1为法兰安装螺钉的分布圆直径，d1=590 mm;d2为倾斜缸内径，d2=450 mm;d3为缸底缓冲腔直径，d3=200 mm;d4为螺孔直径，d4=62 mm;n为安装螺钉的数量，n=20。h为法兰翼缘厚度，h=180 mm;h1为缓冲腔底部厚度，h1=125 mm;H为法兰总厚度，H=250 mm;p为倾斜缸油液工作压力，p=25 MPa;R为翼缘处圆角，R=2 mm。

图1 倾斜缸缸底法兰的结构简图Fig.1 Strcture diagram of flange at the bottom of tilting cvlinder

1.1 法兰全断面上的平均弯曲应力计算

根据巴赫法，法兰全断面上的平均弯曲应力为σw1:

1.2 法兰翼缘处的弯曲应力计算

根据巴赫法，法兰翼缘处的平均弯曲应力为σw2:

1.3 底部开孔处的应力计算

底部开孔处的应力σw3为:

式中，φ为开孔系数，φ= (d3－d) /d3

2 有限元分析

为了全面分析各因素对倾斜缸缸底法兰弯曲应力的影响，我们采用有限元法分别对以下四种情况进行核算。

2.1 对原始模型的核算

对倾斜缸缸底法兰采用SolidWorks建模，使用Abaqus对其进行有限元分析。由于缸底法兰结构和载荷的对称性，取模型的1/4进行有限元计算。缸底材料为42CrMo，其弹性模量E=206 GPa，泊松比 μ =0.3［3］。在面 XOZ、YOZ 上施加对称约束，在法兰底面加两个弹簧来约束Z方向的位移，如图2所示。在法兰内表面及密封圈下部施加液体压力p=25 MPa，在每个螺钉头部区域内施加的力F=198803.9 N。对模型进行网格划分，整体单元为10 mm，并对翼缘圆角及底部开孔处网格进行局部细化，单元大小为5 mm，共划分单元 233297个，节点 249442个(如图3所示)。取Mises应力和最大主应力进行比较 (其结果如图4所示)。

图2 有限元计算边界条件Fig.2 Boundary conditions calculated with EEM

2.2 翼缘处圆角R值的影响

将翼缘处圆角R=2 mm增大到R=5 mm，载荷及约束施加与2.1相同 (其结果如图5所示)。根据有限元计算结果可以看出，随着法兰翼缘处圆角R的不断增大，其应力水平有着显著的下降。

2.3 螺钉施加预紧力的影响

取螺钉的预紧系数η=1.3，则对每个螺钉头部区域施加载荷258445.1 N，法兰与缸筒接触表面施加载荷298205.9 N，其它条件不变(其结果如图6所示)。螺钉施加预紧力后，法兰翼缘圆角处的应力较原始模型略有改善。

2.4 在底部开孔处增加一个卸载槽

在底部开孔处增加一个R=5 mm的卸载槽(其结构如图7所示)，其余条件不变 (其结果如图8所示)。根据有限元计算结果，在底部开孔处增设卸载槽，可以显著改善其受力状况。

由于倾斜缸缸底开有小孔，产生应力集中，在此只对法兰翼缘圆角处的弯曲应力σw2与底部开孔处的应力σW3进行比较。现将巴赫法计算结果及四种有限元计算结果的Mises应力见表1，单位(MPa):

表1 巴赫与有限元计算结果对比Table 1 Contrast of Bach and finite element calculated results

3 结论

(1)按照公式 (2)、(3)的计算结果，不能反映倾斜缸缸底法兰弯曲应力的实际分布，计算结果远低于实际数值。

(2)实际设计中，法兰翼缘的过渡圆角R在结构允许的情况下应尽量增大;法兰与缸筒连接螺钉保持适当的预紧力，对减小法兰翼缘处的弯曲应力有利;在中心孔周边增加卸载槽，可显著减小中心孔处的应力集中现象。

(3)本文采用有限元法对倾斜缸缸底法兰进行分析，比较全面的考虑了各种因素对其弯曲应力的影响，可为同类型结构的设计提供参考。

［1］ 陈嘉襄，杨宗炼．关于阀盖弯曲应力的校核问题［J］．重型机械，1983(12):44－48．

［2］ 黄钟，程源．机械强度与刚度计算［M］．呼和浩特:内蒙古人民出版社，1981．

［3］ 成大先．机械设计手册第1卷，3版 ［M］．北京:化学工业出版社，1997．