四柱液压机横梁结构设计与有限元特性分析

卜匀，龚清华，王晓东

（1.唐山学院机电工程系，河北唐山063000；2.开滦集团服务公司，河北唐山063000）

四柱液压机横梁结构设计与有限元特性分析

卜匀1，龚清华1，王晓东2

（1.唐山学院机电工程系，河北唐山063000；2.开滦集团服务公司，河北唐山063000）

介绍四柱式液压机三横梁结构设计方法；根据承载的不同情况，利用有限元软件对三横梁分别进行静态分析，得到相应应力应变分布规律。以节约材料，减轻重量，改善应力分布为目的，提出改进方案，主体结构模态分析，进一步分析验证改进设计合理性。

四柱；横梁；有限元；改进

四柱液压机由四根立柱、上横梁、工作台通过螺母紧固地连接在一起，构成一个空间框架，加上沿立柱移动的活动横梁、主油缸、顶出缸及其他辅助设施组成。液压机简图如图1所示。液压机上横梁、活动横梁和下横梁（工作台）是三大箱体型横梁，箱体中间加设按方格形或辐射形布置的筋板。上横梁以立柱作为主架，位于四个立柱的上部，安装主油缸并承受主油缸的反作用力。活动横梁与主油缸活塞杆连接传递液压机的动力，并通过导套沿立柱做往返运动。下横梁作为液压机整个机体的基座。液压机长期工作在重载，冲击载荷作用的环境下，受交变应力作用，研究横梁应力应变变化规律，完善液压机的设计过程，解决实际问题成为必然。

图1 液压机简图

液压机技术参数：公称压力2 000 kN；液体最大工作压力25 MPa；活动横梁距工作台最大距离1 090 mm；立柱中心距：左右1 050 mm，前后675 mm.横梁材料选用HT200，弹性模量E=1.4×1 011 Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 330 kg/m3.

为适应液压机高速、高效、低能耗的发展方向，在三横梁结构设计计算的基础上，利用有限元软件对三横梁分别进行静态分析，得到相应应力应变分布规律。以节约材料，减轻重量，改善应力分布为目的，提出改进方案，为横梁设计研究提供依据。

1 上横梁结构设计

上横梁简化为简支梁，支点距离为宽边立柱中心距，利用材料力学的强度分析方法反应上横梁的应力状况，计算强度和刚度[1-3]。

（1）中间截面最大弯矩

Mmax=p/2（l/2-D/π）=35.66 MN·cm

式中：l为立柱宽边中心距；p为公称压力；D为缸与上横梁环形接触面平均直径。

（2）中间截面惯性矩

截面对底边轴惯性矩：

JW=ΣJoi=Σsiai≈1×106cm4

式中：si为每块矩形面积对底边轴的静面矩；Joi为每块矩形面积对本身形心轴的惯性矩

整个截面的形心轴到底边轴的距离：

整个截面对形心轴的惯性矩：

（3）求中间截面最大应力值，校核强度

最大压应力：σy=Mmaxh1/JZ=34.9 MPa＜80 MPa

最大拉应力：σ1=Mmaxh2/JZ=35.2 MPa＜80 MPa

（4）上横梁中点挠度

式中：G=E/2（1+μ）=5×106N/cm2

（5）相对挠度：f0/l=0.11 mm/m＜0.15 mm/m，相对挠度小于许用值，上横梁强度和刚度合理。

2 上横梁结构静力学分析

上横梁选用SOLID185单元类型，划分网格，在ANSYS中建立上横梁1/2模型。上横梁结构和所受载荷Y向对称，在结构对称面上施加对称约束；上横梁、立柱、工作台通过立柱和螺母连接，在螺母作用面上施加Z向位移约束；在上表面的左前角点施加X、Y方向位移约束，限制刚体位移。施加载荷，液压缸的工艺反力作用于上横梁，以液压机的公称压力2 000 kN作为计算载荷，以均布力的形式作用在相关作用面上，由于受到偏心载荷影响，以1.2倍载荷施加；液压缸的重力作用在上表面的环形面上；考虑到横梁较重，将其自重作为载荷施加到机体上；立柱支撑处承受0.5 MN方向向下的拉力[4]。

求解分析得到：上横梁最大位移变化值发生在上横梁的液压缸孔，最大位移变化量为0.047 837 mm，小于上横梁的许用值。应力变化最大的部位分别在上横梁的液压缸孔、立柱孔下端、立柱上端与横梁上表面过渡圆弧处，最大应力值为34.8 MPa，小于铸铁的许用应力。上横梁符合设计要求，但有较大优化余量。据上述有限元分析结果，设计安全，但造成材料浪费，因此提出改进方案。依据变形及最大应力位置，改善上横梁参数。

修改模型，如表1所示，达到节约材料、减轻重量、均衡应力的目的。进行静力分析得到结果如图2、3所示。上横梁1/2模型结果显示，改进后最大应力值为43 MPa，比改进前增大，过渡圆弧处应力得到改善；改进后的最大位移变化值为0.061 5 mm，在允许的范围内，达到改进目的。

表1 上横梁侧板厚度变化数值表

图2 改进后节点位移云图

图3 改进后节点等效应力云图

3 活动横梁静力学分析

活动横梁与工作缸活塞杆由锁母紧固连接，有立柱孔，通过导套与立柱连接，依靠四立柱作导向上下往返运动，传递液压机的动力，下表面有T型槽，便于安装固定模具。对单缸液压机，一般只校核活动横梁承压面上的挤压应力。中间截面最大应力值：最大压应力：σy=Mmaxh1/JZ=13.25＜80 MPa，活动横梁强度满足要求。

建立活动横梁有限元模型，在活动横梁下端底面施加固定约束，在活动横梁上端面与活塞杆接触部位施加均布载荷。求解可知，活动横梁的位移最大变形量发生在活动横梁上端与活塞杆接触的部位，大小为0.025 36 mm，活动横梁的应变量变化最大的发生在活塞腔内过渡部分，大小为20.8 MPa，变形和应变相对较小，材料盈余，活动横梁结构有较大优化空间。改进方案：活动横梁的筋板、左右侧板、前后侧板、上壁厚度改为35 mm.下底面厚度改成45 mm. ANSYS中进行静力学分析，结果如图4、5所示。改进后的活动横梁节点最大位移变化为0.084 17 mm，节点的最大应力为66.0 MPa，满足许用要求，设计合理。

图4 改进后节点位移云图

图5 改进后等效节点应力云图

4 工作台结构静力学分析

工作台即下横梁是液压机整个机体的基座，表面设置固定模具的T型槽，安装顶出缸和其它零部件。中小型液压机，T型槽布置方式一般选为交叉型。工作台结构设计方法同活动横梁[5]。

工作台的两截面上施加对称约束，工作台下表面施加固定约束，取上表面2/3的有效面积施加载荷。工作台的最大应力发生在工作台的内部筋板上。工作台改进方案：将筋板的尺寸减小5 mm，左右侧面板厚度、前后面板厚度、上臂厚度尺寸均减小5 mm.模型导入ANSYS中进行静力分析，结果如图6、7所示。

图6 改进后节点位移云图

图7 改进后节点等效应力云图

改进后最大应力值58.3 MPa，改前49.4 MPa，最大位移变化改后为0.149 068 mm，改前0.116 62 mm，已接近工作台的允许变化值。工作台的体积变化不大，工作台刚度和强度得到改善，工作台改进具有意义。

5 本体结构模态分析

三横梁装配进行液压机本体结构模态分析。由于前几阶固有频率对本体的影响很大，能较好的反应出本体结构的动态特性，所以求解参数设为6，分析前六阶振型[6]。

求解得到液压机本体结构模态分析前六阶固频率以及各阶的相应振型如图8～13所示。

图8 一阶振型图

图9 二阶振型图

图10 三阶振型图

图11 四阶振型图

图12 五阶振型图

图13 六阶振型图

结果分析：①一阶振动频率：f1=11.825 Hz，前后平移型振型，上横梁和活动横梁均在Y方向上同向前后摆动，从上到下振幅逐渐减小，对立柱的刚度和强度要求会有所提高，而且会造成加工件很大误差。②二阶振动频率：f2=12.932 Hz，左右平移型振型，上横梁和活动横梁在X方向上同向左右摆动，振幅变化同一阶振型，对本体结构的影响同一阶振型。③三阶振动频率：f3=28.237 Hz，上下平移型，活动横梁在Z方向上下平移，要求本体结构加强活塞杆的强度和刚度。④四阶振动频率：f4=3 6.239 Hz，Z方向扭转型，上横梁和活动横梁绕Z方向同向转动。⑤五阶振动频率：f5=78.266 Hz，前后摆动性，上横梁与活动横梁在Y方向上前后反向摆动。⑥六阶振动频率：f6=80.686 Hz，左右摆动型，上横梁和活动横梁在X方向反向左右摆动。

据前六阶振型得到：液压机本体结构的固有频率较低，且远远大于本体的冲击频率（本设计液压机工作速度满荷时为12 mm/s，回程速度为52 mm/s，行程为1 090 mm，周期为111.96 s，频率为0.089 Hz），机架不会发生共振。激振频率在10～85 Hz范围，前两阶频率在20 Hz内，机架会产生次声波，造成噪音污染，这种环境下工作人员容易产生疲劳。

6 结论

依据液压机设计原理，横梁设计及校核结果显示设计满足要求，并有较大结构改进空间。液压机三横梁受力不同，施加载荷和约束方法不同。静载情况下，三横梁局部应力和位移变化比较集中，其余部分强度和刚度有很大盈余；结构改进后，液压机三横梁强度和刚度应力和位移集中现象明显得到改善。通过三横梁装配后机架的模态分析，得到前6阶固有频率和相应的固有振型及振幅，结果表明，液压机的固有频率较高，不易发生共振现象，机架整体刚度和质量分布较为均衡，无明显的薄弱部位和过剩部位，动态性能参数较合理，满足设计要求。

[1]俞新陆.液压机的设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2006：166-169.

[2]高耀东，郭喜平.ANSYS机械工程应用25例[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]天津市锻压机床厂.中小型液压机设计计算（主机的设计计算）[M].北京：人民出版社，1977.

[4]陈小刚.基于ANSYS的YJ32-100型四柱液压机关键零部件优化设计研究及应用[D].重庆：重庆大学，2007：17-22.

[5]卜匀，龚清华，高艳红.基于有限元分析的200 t四柱液压机主体设计[J].现代机械，2013（02）：28-31.

[6]刘广君，贾延.4MN液压镦锻机机架有限元模态分析[J].煤矿机械，2008，29（05）：72-75.

Four-column Hydraulic Press Beams Structure Design and Finite Element Analysis

BU Yun1，GONG Qing-hua1，WANG Xiao-dong2
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Tangshan College，Tangshan Hebei 063000，China；2.Service Company，Kai Luan Group，Tangshan Hebei 063000，China）

In this paper，the structural design methods of three beams of four-column hydraulic are introduced；According to the different situation of bearing，the three beams are static analysis by using finite element software，the corresponding distribution of stress and strain is obtained.To save material，reduce weight，improve the stress distribution for the purpose，the improvement plans are put forward，the overall structure modal analysis，further analysis of verifying the rationality of design improvements.

four-column；beams；finite element；improve

TG315.4

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0007-05

2017-02-18

唐山市科学技术研究与发展课题基金项目（14110214a）

卜匀（1971-），女，河北唐山人，副教授，工学硕士，主要从事机械制造、电液系统数字控制与仿真等方面研究。