缸梁一体式压力机变形及应力分析

王 强，孙友松，戴 昆，王仲仁

（1.济南大学 机械工程学院，山东 济南 250022；2.广东工业大学，广东 广州 510090；3.青岛宙庆工业设计有限公司，山东 青岛 266111；4.哈尔滨工业大学 材料学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

缸梁一体式压力机变形及应力分析

王 强1，孙友松2，戴 昆3，王仲仁4

（1.济南大学 机械工程学院，山东 济南 250022；2.广东工业大学，广东 广州 510090；3.青岛宙庆工业设计有限公司，山东 青岛 266111；4.哈尔滨工业大学 材料学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

概述了缸梁一体式压力机的结构、原理和特点。分析了51.9MN主机上球冠的弹性位移，在不考虑机身或立柱弹性变形的前提下，上球冠变形的数量级为1mm左右，与同吨位传统三梁四柱式液压机的变形数量级相当。文章以10.5MN主机为对象，采用有限元方法，分析并获得了主机结构的应力分布，提出了改进结构设计的思路。

机械制造；缸梁一体液压机；结构；工作原理；应力分析

1 引言

缸梁一体式压力机是由王仲仁教授提出的一种全新压力机[1]，主机结构如图1所示。机器液压缸与上横梁采用半球形壳体一体化结构，下部直接与机身相连，滑块受柱塞驱动下行，省去了受力复杂且很重的上横梁，实现了缸梁合一。下梁亦可采用相同结构的半球形壳体，其上固定工作台。上球壳与下球壳之间采用圆筒状结构机身，圆筒中开孔，可进行模具装卸与生产等操作。

表1给出了不同直径、不同厚度球壳缸梁一体式压力机能够达到的公称力。若采用3.2m直径半球，球壳壁厚125mm，液体工作压力21MPa，主机公称力可达100MN。液体工作压力不变，半球直径增大至8.8m，板厚增加至290mm，公称力可达900MN。

表1 缸梁一体式压力机公称力、半球缸直径与球壳壁厚

缸梁一体式压力机具有以下特点：

（1）由于缸梁合一，可大幅度减小压力机的高度。

（2）由于半球形壳体结构材料承受均匀的拉应力，材料利用率高，整机质量可降低1/3～1/2，机械加工量可减少2/3，制造成本可降低1/3～2/3。

（3）半球形壳体增大了液压缸的作用面积，而传统液压机主油缸的直径远小于横梁尺寸。因此，对于同样的主机外形尺寸，缸梁一体压力机可获得更大的公称力，更适合制造大型与超大吨位的液压机。

采用半球形壳体取代传统液压机中的上横梁与液压缸，彻底改变了传统的三梁四柱结构，为制造大型与超大型液压机提供一个新思路，是对传统液压机制造理念的根本性变革。本文拟对缸梁一体式压力机工作状态下的变形及应力分布开展研究，旨在为后期的工程设计及应用奠定基础。

2 变形分析

2.1 三梁四柱式液压机的变形

传统液压机通常采用三梁四柱结构，在工作载荷作用下，机身发生弹性变形，变形量包括上横梁的挠度、液压缸体的弹性伸长量、立柱或机身的弹性伸长量。

以公称力51.9MN的三梁四柱式液压机为例，液体工作压力20MPa，上横梁跨度4.5m，液压缸内径1.8m，按照文献[2]给出的计算方法，上横梁的挠度为0.15×4.5=0.675mm。取液压缸体长度1.5m，则其变形量为1500×0.03%=0.45mm。因此，在不考虑立柱弹性变形的前提下，液压机总的变形量为1.125mm。

2.2 缸梁一体式压力机的变形

缸梁一体式压力机的液压缸与上横梁为一体化半球形壳体结构，主机的弹性变形包括上球冠的弹性位移、机身的弹性伸长量。上球冠的变形对主机产生重要影响，其弹性位移取决于材料的弹性模量、液体工作压力、球冠的直径与厚度。

为了便于对比，计算模型取相同的主机公称力51.9MN和液体工作压力20MPa，上球冠直径为2.5m，板厚分别为 50、60、80mm，采用有限元方法进行计算，获得的弹性位移如表2所示。上球冠高度方向位移分布见图2，最大变形量为1.3mm。

表2 缸梁一体式压力机上球冠的弹性位移

2.3 对比

上述计算结果表明，在不考虑机身或立柱弹性变形的前提下，缸梁一体式压力机工作时上球冠变形的数量级为1mm左右，与同吨位三梁四柱式液压机的变形数量级相当。

3 应力分析

3.1 分析对象

分析对象选择公称力10.5MN缸梁一体式压力机，机器主要技术参数如表3所示。

表3 10.5MN缸梁一体式压力机主要技术参数

3.2 分析模型

采用有限元分析方法，选择实体单元和壳单元，忽略螺栓等部分细节，网格划分后的主机分析模型如图3所示。

3.3 结果与分析

图4、图5给出了10.5MN缸梁一体式压力机工作状态下的等效应力分布情况，从总体上看，等效应力数值不高。

由图4可以看出，有以下两处应力偏高，一是在半球与长颈法兰连接处由于构件刚度突变在接合部半球一侧存在较大的径向剪应力，沿经线及纬线方向均存在较高的拉应力，导致等效应力明显高于相邻区域的数值，在该处的设计需要考虑刚度的平缓过渡；二是在机身窗口的圆角连接部位由于上下横截面急剧变化导致该处应力高于机身其他部位，该处应进一步补强。

4 结论

（1）51.9MN缸梁一体式压力机上球冠变形的数量级为1mm左右，在不考虑机身或立柱弹性变形的前提下，与同吨位传统三梁四柱式液压机的变形数量级相当。

（2）在工作状态下，10.5MN缸梁一体式压力机等效应力分布均匀且数值不高。半球与长颈法兰连接处、机身窗口圆角连接处需进行结构改进。

[1]王仲仁，苑世剑，王小松，等.缸梁一体式压力机.中国发明专利申请号：2010105026885，2010-10-05.

[2]俞新陆.液压机设计与应用[M].北京:机械工业出版社，2004：156.[3]王仲仁，张 琦.省力与近均匀成形—原理与应用[M].北京:高等教育出版社，2010.

Deformation and stress analysis on the hydraulic press with unity of cylinder and beam

WANG Qiang1，SUN Yousong2，DAI Kun3，WANG Zhongren4
（1.University of Jinan，Jinan 250022，Shandong China；2.Guangdong University of Technology，Guangzhou 510090，Guangdong China；3.Zhouqing Industry Design Co.,Ltd.,Qingdao 266111，Shandong China；4.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，Heilongjiang China）

The structure，principle and properties of the hydraulic press with unity of cylinder and beam(HPUCB)have been introduced.The elastic deformation of the upper semi-spherical shell of the 51.9MN HPUCB has been analyzed.Without the consideration of elongation of the frame or column，the magnitude of deformation is about 1mm，which is similar to the traditional hydraulic press with three-beam and four-column structure.Taking the structure of the 10.5MN HPUCB as an example in the text，the stress distribution has been analyzed and obtained by use of FEM.The idea to improve the structure has been put forward.

Hydraulic press by Unity of cylinder and beam；Structure；Working principle；Stress analysis

TG315.4

B

1672－0121(2011)06－0025－03

2011-09-03

王 强（1963-），男，博士，教授，从事塑性加工技术的教学与研究