基于Solidworks Simulation的水液压缸驱动滑块结构的有限元分析

2018-06-22蔡强巩芳张燕

现代制造技术与装备 2018年5期

蔡强巩芳张燕

（枣庄科技职业学院，枣庄 277500）

引言

滑块是高速精密压力机最主要的执行部件，常为液压缸驱动滑块，与主缸活塞杆刚性连接。设计水液压缸驱动滑块时，要求其结构简单紧凑，且重心通过它的几何中心线。滑块对强度和刚度要求很高，且重量也不宜过大，因为重量过大会增加滑块的惯性量。因此，需要对滑块的结构进行分析研究，对质量进行优化设计，以满足高刚度、低质量的设计要求。

本文以四点压力机为例，采用有限元法分析水液压缸驱动滑块的结构，并研究分析滑块的四点间距对滑块刚度的影响，最后对滑块结构进行优化。

1 滑块的有限元分析

1.1 滑块模型的建立

滑块结构的主要设计参数：滑块底面积为2700mm×900mm，底板厚度为90mm，壁高为450mm，壁厚60mm；安装连杆机构的四个凸台的轴线间距分别为600mm、900mm和600mm；滑块材料采用球墨铸铁QT600-3。压力机滑块结构一般设计为成箱型结构，纵横筋交错，结构比较复杂。在此采用Solidworks三维建模软件进行实体建模并划分网格，模型如图1所示。

图1 滑块有限元模型

1.2 边界条件的施加

设计的公称力为4000kN，但压力机的实际冲裁能力应达到或超过标定冲压力的1.2倍。所以，在距离滑块底面各边100mm以内的面积区域即2500mm×700mm的区域内，施加1.2倍公称力的均布载荷。

图2 滑块应力云图

图3 滑块位移云图

通过分析滑块的受力情况，考虑导轨的约束作用，对滑块上安装连杆的四个凸台端面仅约束其端面法向方向上的自由度。安装四圆侧导柱的孔，以约束其径向和周向的位移，且轴向位移自由[1-2]。

1.3 有限元分析结果

滑块的应力云图，如图2所示。

由图2可以看出，滑块所受的应力均比屈服应力（600MPa）小得多，最大应力为56.554MPa，位于中间两个安装连杆的凸台处。滑块整体所受的应力比较均匀，但中间两个凸台处应力较高，可以在凸台底部倒圆角，以降低应力集中，使凸台处应力趋于均匀。

滑块的位移云图如图3所示。

由图3可以看出，滑块的最大位移为0.1627mm，位于滑块底面中心和两边缘的中心处。滑块底面的中心区域变形量较大，在长度方向上以滑块中心处为最高，然后向两边随着距离的增大，变形量逐渐减小。

2 各点间距变化对滑块刚度的影响

由图3可知，滑块中部的变形量过大。从滑块的结构上可以看出，中间两个支撑的间距比较大，刚性较差；两边的两个支撑间距较小，滑块的变形不大。所以，滑块的四点间距不同，对滑块受力后的变形会有不同影响。可见，分析各点间距变化对滑块刚度的影响，得出最佳间距对滑块刚度的设计具有一定的意义。

2.1 中间两支点间距变化

基于初始的有限元分析结果，建立以中间两支撑的间距为变量的设计算例，设定中间两支点之间距离的取值变化范围为600～900mm，变化步长为50mm，两边的两个支撑的间距不变为2100mm。监测滑块受力后的变形量，然后对以上的设计算例运用Solidworks Simulation中的设计算例功能进行计算。根据上述计算结果，得出滑块最大变形量随中间两点间距变化的趋势曲线，如图4所示。从图4可以看出，滑块最大变形量随着中间两支点间距的增大而减小，但变化比较平缓。当中间两支点间距增加到一定数值时，滑块的最大变形量会随着中间两支点间距的增大而急剧上升，所以存在一个最优值。