组合式液压机结构仿真分析与优化设计焦卫兵

组合式液压机结构仿真分析与优化设计焦卫兵

焦卫兵

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司黑龙江齐齐哈尔161005）

摘要：液压机是重要的压力加工设备，是一种实现少、无切削加工的工作母机。液压机的设计和制造水平体现了一个国家装备制造业整体实力。传统方法设计的机架结构材料使用偏保守，致使液压机存在结构质量大，成本高、效益低等劣势。；同时液压机机架的振动严重的破坏基础，而且还会导致加工精度下降，影响压制产品质量。由于液压机存在足多不利特点，克服特殊的工况，对液压机结构进行详细的分析，并结合现代设计与分析方法对其结构进行优化和改进，对于液压机结构各项性能的提高具有十分重要的意义。

关键词：机械制造；结构；液压机；有限元分析

一、液压机结构存在的主要问题

（1）液压机的结构问题

一般液压机是根据传统的方法设计的，只是依据经验提出设计方案，，比如把梁简化为简支梁，粗略估计简支梁的截面特性，没有经过实验校核和有限元分析，很难保证计算的精度和可靠性，设计者不得不加大安全系数，这就必然导致质量过大，浪费材料，经济性不高；或者会出现关键部位强度、刚度不够等问题，再者会直接或间接影响到工件的加工质量。本文主要工作就是一方面基于液压机的计算理论对本型液压机的主要部件进行力学分析，另一方面结合现代设计方法，借助有限元分析软件对液压机作相应的分析并进行优化。

（2）液压机的振动问题

液压机在充液、加压、卸载、失荷时，液体压力、流向变化都会引起机架与管道的振动，特别是在机器进行切料和冲裁时，工件断裂瞬间突然的失荷会诱发机架发生剧烈的振动。突然失荷时，被冲工件突然断开，这时，作用在下横梁工作台上的力瞬时消失，而作用在液压紅底部的液体压力却要随着中被压缩液体的弹性恢复而逐渐消失。这便激起了机架的上下振动。当工作载荷超过机器的重力时，机身就会出现上跳趋势，严重时会拉断地脚螺钉，破坏基础。而且失荷前机架因弹性变形吸收的能量在这时释放出来，也会加剧振动。液压机的振动会加剧连接框架及递交连接处的破坏，缩短机器的使用寿命，另外，振动还会引起加工精度下降，影响压制产品质量，因此，对液压机进行有效的减振和隔振设计至关重要。

二、研究目的和意义

锻压设备是装备制造业的一大类工作母机，在各类机床中占有较大的比例，在全世界主要的生产国中，锻压机床的产值占所有各类机床产值的左右，而且由于少、无切削加工技术的优势和随着其不断的发展，其所占的比例还会不断的提局。液压机是一种重要的锻压设备，是一种实现多种压制成型工艺的工作母机。普遍适用于锻造、冲压、挤压、剪切、弯曲、翻边、校正等典型的塑性成形工艺，又广泛用于粉末材料、磨料材料、复合材料、绝缘材料、建筑材料等金属材料制品的压制成型工艺，也可以完成模具研配液态成形等特种锻压成形工艺。随着我国航空、航天、国防工业和家电、汽车等行业的发展，对塑性成型产品的质量要求越来越高，性能更优的液压机的研制和改型势必会成为装备制造业发展的重要方向。国内生产锻压设备的大部分企业，对于设备的研发还处于相对传统的设计阶段，液压机的整机结构的优化改型、提高液压机稳定性，追求压制效果方面研究，相对来说并不是很活跃，虽然部分零部件实现参数化、模块化设计，但是对整机的可靠性等性能参数的研究还处于静态分析阶段，跟欧美国家相比还存在很大的差距。现在，中国已加入，装备制造业面临着空目的竞争考验，如何提周广品的质量和稳定性，使产品在国际竞争中处于不畋之地，是企业和科研机构面临的首要问题。

对于液压机，在工作时机架需要承受较大的载荷、适应偏心载荷工况、克服突然失荷所造成机身与基础的振动等技术要求，这就要求液压机机架应该具备较高的结构强度、刚度和稳定性，同时还应具备一定的减振能力，因此加大了液压机的设计难度和制造成木，制约着液压机在装备制造过程中的进一步普及应用本课题结合工程力学、结构力学、机械系统动力学，采用有限元法、优化设计方法、虚拟样机技术等现代设计与分析方法，针对液压机结构进行仿真分析与优化设计。一方面通过静态有限元分析，校核机身及主要部件在各种工况下的强度和刚度，并结合分析结果进行结构优化设计，达到降低设计和制造成本，提高效益的目的；另一方面，以研究液压的动态性能为目标，对液压机的承载机架进行了模态分析，详细描述各阶模态对液压机的影响，为研究机架振动、减噪声污染等问题提供了参考依据，同时对机架因失荷诱发的振动问题进行了仿真分析，得到了影响液压机振动的主要因素，并提出了相应的减振和隔振的措施。这两方面的研究对液压机的结构优化和改进，提高液压机的动态精度和工作平稳性具有重要意义。通过木课题的研究还可以为其他同类型产品的设计和分析提供借鉴与参考

三、主要研究思路和研究内容

本文首先根据材料力学基础对液压机机架进行受力分析，然后对在中心载荷和偏心载荷工作下的机架进行有限元分析，进而综合两路分析结果对机架的主要部件进行结构优化和改进，并对优化前后的结果进行比较，评价优化效果。最后对优化后的机架进行动态性能研究，主要对机架进行模态分析和振动分析，提出相应的减振和隔振措施，并进行仿真分析

具体所做的主要研究工作如下：

（1）基于工程力学的相关理论，以型液压机本体结构为研究对象，对其主要部件进行受力分析，并进行了强度和刚度的计算。

（2）构建液压机实体模型，然后进行结构静态分析，得到液压机在中心载荷和偏载两种工况下强度和刚度的相关分析结果。为结构优化提供参考依据。

（3）对液压机的主要部件进行参数化建模并进行优化设计与分析；从初始设计方案出发，分别寻找出最优解，并对所选的改进方案进行分析。在符合结构强度和刚度要求的条件下，达到较小质量，节省材料的目标。

（4）以研究液压机的动态性能为目标，一方面基于有限元技术，对型液压机机架进行了模态分析，获得了固有振动频率和相应振型，分析了各种振型对液压机工作状态的影响，为研究机架振动、降低噪声污染等问题奠定了基础；另一方面基于虚拟样机理论和仿真平台，对机架由失荷诱发的振动进行了仿真分析，得到了影响液压机振动的主要因素，并提出相应的减振和隔振措施。

四、液压机机架的工程力学分析

在不同液压机上完成的工艺是多种多样的，因此液压机的本体结构形式也是多种多样的，工艺要求是影响液压机本体结构形式的最主要因素。根据液压机的工艺要求，型液压机釆用立式梁柱组合式结构。

结束语

由于作者水平有限，加上时间比较仓促，文中还有很多不足之处，恳请读者批评指正。同时总结了以下几点需要进一步完善的工作：失稳问题一直以来都是影响钢结构使用的突出问题。可以根据实际约束和受力情况建立了失稳分析模型，对液压机机架进行稳定性方面的研究；进一步对液压机进行运动学与动力学等方面研究和探讨；研究液压机运动部件之间的接触问题；在仿真平台上，研究对立柱进行动载计算与疲劳寿命相结合的分析；由于分析结果表明，液压机在工作过程中会产生低频噪声污染，再提高固有频率与减振方面寻求较为理想设计方案。

参考文献

[1]曾广胜;江太君;刘跃军;基于WORKBENCH的液化气钢瓶的力学性能模拟[J];包装工程;2010年07期；

[2]赵霞;邰英楼;;基于ANSYS的结构设计优化[J];辽宁工程技术大学学报;2006年S2期；

[3]侯晓望;基于有限元分析的液压机结构优化[D];浙江大学;2005年

[4]张元越,王启广;C型液压机机身侧板的有限元分析[J];江苏煤炭;2002年02期

[5]刘茜,石维佳,董正身;基于APDL的液压机横梁参数化有限元分析[J];机械设计与制造;2005年07期