大型锻造液压机工作缸结构设计及有限元分析

李 刚，刘培培，倪承普

（1.大连交通大学，辽宁 大连 116028；2.大连华锐重工集团股份有限公司，辽宁 大连 116093）

1 引言

工作缸是液压机的重要执行元件，它将液体的压力能转换成机械能，按结构型式的不同分为柱塞式、活塞式、摆动式和伸缩式。200MN锻造液压机的工作缸采用柱塞式，结构简单，制造容易，是大型液压机常采用的结构形式[1]。液压机的传统设计理论是工作缸的结构设计的主要依据。

ABAQUS精于求解复杂的问题，在有限元分析软件中达到了世界领先水平，广泛应用于机械、军事、化工、汽车等工业领域中。使用ABAQUS对液压压机工作缸进行数值模拟，可以准确地确定工作缸的应力分布情况，进而分析其结构设计的合理性。

2 工作缸的结构设计

为了节约能量，尤其是减少电能消耗，200MN锻造液压机采用六个工作缸，呈三排布置。6个工作缸同时动作时可以产生200MN压力，两侧4个小工作缸可以产生80MN压力，中间2个大工作缸可以产生120MN压力。动作不同排列的工作缸可以产生3级压力，生产不同的锻件可以选择相应的压力等级，大大的节约了成本。其本体结构及工作缸布置图分别见图1和图2。

图1 液压机本体结构图

图2 工作缸的布置图

为了提高工作缸的寿命，本设计直接使用螺栓在上横梁固定缸体，即采用缸底支撑。这样做不仅使上横梁的刚度与强度提高，还能够减小工作缸的缸壁应力。

单球铰联接方式适用于滑块和侧边4个小工作缸柱塞，而双球铰联接是滑块和中间2个主工作缸柱塞的最佳连接方式，如图3a、b所示。

图3 工作缸连接方式示意图

当工作缸的工作压力高于20MPa时，碳钢锻造是工作缸的主要生产方式[2]。200MN锻造液压机工作缸在31.5MPa高压下工作，且结构较大，难以整体锻造，故采用35钢锻焊而成，并进行正火、回火处理，其屈服强度为240MPa。

柱塞在缸体中往复运动，对导套和密封的磨损影响巨大，因此柱塞表面必须具有足够的硬度和良好的表面光洁度。为达到这一要求，柱塞一般由含碳量较高的碳素锻钢制成，机加工后进行表面强化处理。本液压机柱塞用45钢锻造而成。

中间工作缸公称压力为120MN，其结构参数的设计计算如下：

根据液压缸应产生的名义总压力F（N）及选定的液体工作压力p（MPa），按下式确定柱塞直径D为

其中，F=60×106N，p=31.5MPa

由式（1），计算得 D=1557.7mm，圆整后取D=1560mm，液压缸内径D1跟柱塞和工作缸内壁的间隙Δt有关，根据经验Δt取15mm为宜。

依据上式（2），求得液压缸内径D1为1590mm。根据经验公式液压缸外径D2为

[σ]取 120MPa，依据上式（2），求得液压缸外径 D2为2153mm，又根据公式

式中r1——液压缸内半径（mm）

r2——液压缸外半径（mm）

由式 （4） 计算得，r2≥1076.5mm，取 D2=2·r2=2250mm。

侧部四个工作缸公称压力为80MPa。同样，可以初步得出侧工作缸结构参数如下：

柱塞直径D=900mm，取Δt=10mm，液压缸内径D1=920mm，外径D2=1360mm，缸底厚度t=300mm。

3 工作缸数值模拟及结果分析

目前，液压缸大都采用弹性力学经验算法，根据基本设计参数，参考有关资料，确定其基本设计参数，然后，根据简化的力学模型进行强度校核。然而，由于液压缸的结构形状比较复杂，难以建立精确的力学及数学模型，特别是在应力集中区。采用有限元法对液压缸进行计算，可以准确地确定液压缸的应力分布情况，进而分析其结构设计合理性[3,4]。工作缸的主要尺寸如图4所示。

图4 工作缸主要尺寸

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 结构模型与单元划分

为使工作缸数值计算更接近于实际工作状况，将6个工作缸按照实际条件与上横梁装配，考虑到下横梁变形对工作缸的影响微乎其微，所以立柱模型截取到一半高度。

工作缸网格类型选定为四面体单元C3D4，并对于缸底圆角、进油口和螺纹孔等细节部分进行了网格细分处理，4个侧缸共划分94万个单元，中间2个主缸共划分120万个单元。

3.1.2 边界条件

（1）工作缸筒内壁表面施加31.5MPa均布压力，液体压力分布于工作缸内壁密封以下。

（2）摩擦系数μ定为0.1，其接触类型选定为标准面 -面接触（surface-surface contact）。

（3）设定工作缸材料属性：泊松比λ为0.3，弹性模量E为20.6万MPa。

（4）上横梁分块拉杆预紧：ø200mm(10 根)，单根预紧力设定为4000kN，预紧方式均采用Bolt load。

（5）立柱拉杆预紧：预紧力要适中，预紧力过大会破坏拉杆；反之，横梁和立柱的接触部位会因预紧力过小而开缝。总体预紧力取为1.4倍的公称压力，即280MN较为合适。其中，10根ø400mm拉杆的单根预紧力设定为17500kN；12根ø320mm拉杆的单根预紧力设定为11200kN；预紧方式均采用Bolt load。

（6）立柱中间断面施加固支边界条件。

其数值模型如图5所示。

图5 工作缸数值模型

3.2 模拟结果与分析

对工作缸数值模型计算结束后，对工作缸的等效应力云图进行观察和分析。

3.2.1 中间主工作缸模拟结果及分析

将主工作缸剖开观察工作缸内部和外部应力分布情况，中间主工作缸的等效应力云图如图6所示。

对主工作缸等效应力分布云图进行分析，得出以下结果：

（1）工作缸内壁近充液口处等效应力分布平均数值最高，在105～120MPa之间。等效应力的最高点达到119MP，位置在工作缸内壁靠近充液口的下部。

（2）工作缸中间厚壁圆筒部分内壁等效应力值较高，在95～115 MPa之间，等效应力分布较为均匀。

（3）工作缸底部等效应力值较低，在68～85MPa之间。

图6 主工作缸等效应力分布云图

（4）工作缸中间厚壁圆筒部分外壁等效应力值最低，最大等效应力值仅为60MP。

数值计算结果表明，主工作缸的最大等效应力发生在内壁充液口附近，数值为119MP，而工作缸缸体材料35钢，经过热处理后的屈服强度为240MPa，其安全系数大于2。进而可以证明主工作缸的强度满足设计要求。

3.2.2 侧部工作缸模拟结果

图7所示为侧部工作缸的等效应力云图。

对侧部工作缸等效应力分布云图进行分析，得出以下结果：

（1）最大等效应力产生在充液口附近，其等效应力值为129.5MPa。

（2）缸体内壁厚壁圆筒部分等效应力分布较为均匀，等效应力值较高，其等效应力值均在85～110MPa。

（3）侧部工作缸底部内壁和缸体外表面应力分布均匀，等效应力较低，其等效应力值大部分在75MPa以下。

图7 侧工作缸等效应力分布云图

侧工作缸体材料采用35钢，热处理后，其屈服强度为240MPa，数值计算结果表明，侧工作缸最大等效应力为130MPa，计算其安全系数为1.85，因此，侧工作缸的强度满足设计要求。

4 结语

本文运用液压机传统的设计理论，通过公式计算，对200 MN锻造液压机的工作缸进行初步设计，然后应用有限元分析软件ABAQUS对工作缸组件进行了三维建模，对其作静态有限元仿真计算。通过对工作缸模拟结果等效应力进行分析，工作缸的强度满足设计要求，进一步证明了液压机工作缸设计规范中，传统公式的计算结果是正确可行的。