Y13-4000数控锻造液压机横梁有限元分析

文/刘社英，秦红兵·安阳锻压机械工业有限公司

Y13-4000数控锻造液压机横梁有限元分析

文/刘社英，秦红兵·安阳锻压机械工业有限公司

数控锻造液压机是一种智能化的中型锻造设备，该种液压机结构复杂，工作载荷和预应力大。因此，设计中采用三维有限元分析方法。该方法针对锻造液压机的横梁结构进行有限元计算和力学分析，还可以进行在承受载荷作用下的变形及工作应力分析。有限元软件SolidWorks分析了横梁在预应力状态下的受力和变形情况。结果表明，有限元分析过程比传统的计算方法更简单、方便，是工程上解决应力、应变问题的有效途径。

Y13-4000数控锻造液压机是一种利用液体压力来传递能量的全液压控制的锻造设备，是安阳锻压机械工业有限公司于2008年开始着手开发的新产品。安阳锻压机械工业有限公司通过实际考察，对现有的国内外数控锻造液压机进行了调研，了解了其技术状况，并结合实际使用需求开发了该产品。

安阳锻压机械工业有限公司生产的Y13-4000数控锻造液压机于2009年12月通过了河南省科学技术厅的科技成果鉴定，并在2010年了获得中国机械工业科学技术一等奖、安阳市科学技术进步二等奖，并获得国家实用新型专利三项。该型液压机输出吨位大、锻造能力强、锻造频次高、操作智能化，性能稳定，使用寿命长，维护成本低，其结构形式为三梁四柱式，现以活动横梁为例，介绍传统计算与SolidWorks有限元分析方法的不同。

活动横梁强度计算

活动横梁在一般工作情况下，不出现弯曲变形。但是，在空行程下极限位置时，横梁支撑在限程套上，上砧悬空，活动横梁承受名义压力的作用，梁的下平面承受拉应力，上平面承受压应力，此时横梁所受弯矩最大，工况最差。

应力计算公式：

σ=Mmax/Wz＜ [σu]

式中 Mmax——最大弯矩，N·m；

Wz——抗弯截面系数；

[σu]——液压机横梁的许用应力120MPa。

图1 简支梁结构

Mmax=0.25×P×B－PC×BC

式中 P——主缸压力，N；

B——立柱中心距，m；

PC——每一侧缸压力，N；

BC——主缸与侧缸之间距离，m。

Mmax=0.25×40×106×4.4-12.5×106×1.51

=25125000N·m

活动横梁的承压为三个油缸球面垫和活动梁承受，受力结构简化为简支梁结构，如图1所示。

横梁的危险截面为中间截面，如图2所示。

图2 中间截面

横梁的抗弯截面系数计算可将其转化为工字梁计算，简化如图3所示。

图3 工字梁

工字梁的抗弯截面系数计算公式：

Wz=（B×H3－b×h3）/（6×H）

=（2.36×1.23－1.9×1.0353）÷（6×1.2）

=0.2739

实际应力σ=Mmax/Wz

=25125000÷0.2739

=91.73MPa＜[σu]=120MPa

SolidWorks有限元分析方法

运用SolidWorks中零件有限元分析功能，旋转求解分析类型为静态分析，运用求解器控制，施加载荷和约束条件，约束定在有限元模型上的节点位移，即活动横梁与立柱的四个配合面，载荷面为活动横梁和三个球面垫的接触面，主缸载荷大小为15MN，两侧缸载荷大小为12.5MN。分析后，得其静态应力如图4所示。

其应力大小显示为95.99MPa，略大于计算得的91.73MPa，可见两种算法得出的结论是一致的。这种状态是在工况最恶劣的情况下得出的，在一般情况下锻造时，所受的应力要远远低于此最大值，活动横梁是满足要求的。

结束语

经以上两种方法可以看出，SolidWorks具有很强的静态、模态和瞬态分析，能准确地完成各种分析和计算。运用SolidWorks有限元分析锻造液压机横梁的应力、应变问题，比传统的计算方法要快捷、简单的多，而且更准确，能很好地完成大量的计算任务，是工程上解决应力、应变问题的有效途径。

刘社英，工程师，主要从事液压机产品设计。

图4 静态应力