التصميم الإنشائي وتحليل العناصر المحدودة لأسطوانة العمل لمكبس هيدروليكي كبير بالحدادة

1 المقدمة

تعتبر أسطوانة العمل مشغلًا مهمًا للآلة الهيدروليكية.يحول طاقة الضغط للسائل إلى طاقة ميكانيكية.وهي مقسمة إلى نوع المكبس ونوع المكبس ونوع التأرجح والنوع التلسكوبي حسب نوع الهيكل.أسطوانة العمل للتزوير 200MN الضغط الهيدروليكي يعتمد نوع المكبس ، الذي له هيكل بسيط وسهل التصنيع.إنه شكل هيكلي شائع الاستخدام في الآلات الهيدروليكية الكبيرة.التقليدية نظرية تصميم المكبس الهيدروليكي هي الأساس الرئيسي للتصميم الهيكلي لأسطوانة العمل.

ABAQUS ماهر في حل المشكلات المعقدة وقد حقق برنامج تحليل العناصر المحدودة الرائد على مستوى العالم.يستخدم على نطاق واسع في الآلات والعسكرية والكيميائية والسيارات وغيرها من المجالات الصناعية.باستخدام ABAQUS في العدد محاكاة الأسطوانة الهيدروليكية ، يمكن تحديد توزيع الضغط لأسطوانة العمل بدقة ، ويمكن تحليل منطق تصميمها الهيكلي.

2. التصميم الإنشائي لأسطوانة العمل

من أجل توفير الطاقة ، خاصة لتقليل استهلاك الطاقة ، فإن المكبس الهيدروليكي للتطريق 200MN يستخدم ستة أسطوانات عمل في ثلاثة صفوف.يمكن لأسطوانات العمل الستة أن تولد 200 ميجا نيوتن من الضغط في نفس الوقت ، والأربع أسطوانات صغيرة يمكن أن تولد أسطوانات العمل على كلا الجانبين 80 MN من الضغط ، ويمكن لأسطوانتين كبيرتين في الوسط أن تولد 120 MN من الضغط.يمكن لأسطوانات العمل ذات الحركات المختلفة أن تولد 3 مستويات من الضغط ومختلفة يمكن إنتاج المطروقات لتحديد مستوى الضغط المقابل ، مما يوفر التكلفة بشكل كبير.يظهر هيكل الجسم وتخطيط أسطوانة العمل في الصورة 1 والصورة 2.

من أجل تحسين عمر أسطوانة العمل ، يستخدم التصميم مباشرة البرغي لإصلاح كتلة الأسطوانة على العارضة العلوية ، أي يتم استخدام الدعم السفلي.هذا لا يحسن فقط صلابة وقوة الشعاع العلوي ، ولكنه يقلل أيضًا من إجهاد جدار الأسطوانة لأسطوانة العمل.

وصلة المفصلة الكروية المفردة مناسبة لشريط التمرير وأربعة غطاسات أسطوانية صغيرة على الجانب ، ووصلة المفصلة الكروية المزدوجة هي أفضل طريقة توصيل لمنزلق ومغاطس الأسطوانة الرئيسية ، كما هو موضح في الصورة 3 أ ، ب.

عندما يكون ضغط العمل لأسطوانة العمل أعلى من 20 ميجا باسكال ، فإن تشكيل الفولاذ الكربوني هو طريقة الإنتاج الرئيسية لأسطوانة العمل.تعمل أسطوانة العمل من مكبس هيدروليكي للتطريق 200MN تحت ضغط عالي 31.5 ميجا باسكال ، والهيكل كبير ، من الصعب تشكيله بشكل متكامل.لذلك ، يتم تشكيلها بلحام 35 فولاذ ، ويتم تطبيعها وتقسيمها ، وقوة خضوعها 240MPa.

يتبادل المكبس في الأسطوانة وله تأثير كبير على تآكل غلاف التوجيه والختم ، لذلك يجب أن يتمتع سطح المكبس بصلابة كافية وإنهاء سطح جيد.من أجل تلبية هذا المطلب ، فإن المكبس مصنوع بشكل عام من الفولاذ المشكل بالكربون ذو المحتوى العالي من الكربون ويخضع لمعالجة تقوية السطح بعد المعالجة.مكبس الآلة الهيدروليكي مصنوع من 45 فولاذ.

ضغط العمل الاسمي لأسطوانة العمل الوسيطة هو 120MN ، وحساب تصميم المعلمات الهيكلية كما يلي:

وفقًا للضغط الإجمالي الاسمي F (N) الذي يجب أن تنتجه الأسطوانة الهيدروليكية وضغط العمل السائل المحدد P (MPa) ، يتم تحديد قطر المكبس D بالصيغة التالية:

من الصيغة (1) ، D = 1557.7mm محسوبة ، وبعد التقريب ، D = 1560mm ، والقطر الداخلي D1 للأسطوانة الهيدروليكية متصل بالمكبس.

إنها مرتبطة بفجوة الجدار الداخلي للأسطوانة ، ويفضل أن تأخذ 15 مم وفقًا للتجربة.

وفقًا للصيغة أعلاه (2) ، تم تحديد القطر الداخلي D1 للأسطوانة الهيدروليكية ليكون 1590 مم.وفقًا للصيغة التجريبية ، يكون القطر الخارجي للأسطوانة الهيدروليكية D2 هو:

[σ] خذ 120 ميجا باسكال ، وفقًا للصيغة أعلاه (2) ، أوجد القطر الخارجي D2 للأسطوانة الهيدروليكية 2153 مم ، ووفقًا للصيغة:

r1 ——— نصف قطر الأسطوانة الداخلي (مم)

r2 ——— نصف القطر الخارجي للأسطوانة الهيدروليكية (مم)

محسوبة بالمعادلة (4) ، r2≥1076.5mm ، خذ D2 = 2 * r2 = 2250mm.

سمك قاع الأسطوانة: t = (1.5 ~ 2) * (r2-r1) (5)

الضغط الاسمي لأسطوانات العمل الأربعة على الجانب هو 80 ميجا باسكال.وبالمثل ، يمكن الحصول على المعلمات الهيكلية لأسطوانة العمل الجانبية بشكل مبدئي على النحو التالي:

قطر المكبس D = 900 مم ، Δt = 10 مم ، القطر الداخلي للأسطوانة الهيدروليكية D1 = 920 مم ، القطر الخارجي D2 = 1360 مم ، سمك قاع الأسطوانة t = 300 مم.

3. المحاكاة العددية وتحليل النتائج لأسطوانة العمل

في الوقت الحاضر ، تستخدم معظم الأسطوانات الهيدروليكية الخوارزمية التجريبية للميكانيكا المرنة.وفقًا لمعايير التصميم الأساسية ، يتم تحديد معلمات التصميم الأساسية بالرجوع إلى البيانات ذات الصلة ، ثم القوة يتم إجراء الفحص وفقًا للنموذج الميكانيكي المبسط.ومع ذلك ، نظرًا للهيكل المعقد للأسطوانة الهيدروليكية ، من الصعب إنشاء نماذج ميكانيكية ورياضية دقيقة ، خاصة في الضغط منطقة التركيز.باستخدام طريقة العناصر المحدودة لحساب الأسطوانة الهيدروليكية ، يمكن تحديد توزيع الضغط للأسطوانة الهيدروليكية بدقة ، ثم تحليل منطق التصميم الهيكلي.الرئيسية تظهر أبعاد أسطوانة العمل في الصورة 4.

3.1 إنشاء نموذج العناصر المحدودة

3.1.1 النموذج الهيكلي وتقسيم الوحدة

من أجل جعل حساب أسطوانة العمل أقرب إلى حالة العمل الفعلية ، يتم تجميع أسطوانات العمل الست مع العارضة العلوية وفقًا للظروف الفعلية.معتبرا أن تشوه الشعاع السفلي له تأثير ضئيل على أسطوانة العمل ، يتم اعتراض نموذج العمود إلى نصف الارتفاع.

يتم تحديد نوع شبكة أسطوانة العمل كوحدة رباعية السطوح C3D4 ، وتفاصيل شريحة قاع الأسطوانة ومدخل الزيت والفتحة الملولبة متشابكة ومقسمة إلى أجزاء.الأسطوانات الأربعة الجانبية مقسمة إلى 940.000 الوحدات ، والوسطى 2 ، وتنقسم الأسطوانات الرئيسية إلى 1.2 مليون وحدة.

3.1.2 شروط الحدود

(1) يتم تطبيق ضغط موحد قدره 31.5 ميجا باسكال على سطح الجدار الداخلي لأسطوانة العمل ، ويتم توزيع ضغط السائل أسفل الجدار الداخلي لأسطوانة العمل.

(2) تم ضبط معامل الاحتكاك μ على 0.1 ، ويتم اختيار نوع التلامس كملامسة قياسية لسطح السطح.

(3) قم بتعيين خصائص المواد لأسطوانة العمل: نسبة بواسون λ هي 0.3 ، ومعامل المرونة E هو 206000 ميجا باسكال.

(4) رافعة كتلة العارضة العلوية مشدودة مسبقًا: φ200mm (10 قطع) ، قوة الشد المسبق المفردة مضبوطة على 4000 كيلو نيوتن ، ووضع الشد المسبق يعتمد حمل البرغي.

(5) التشديد المسبق لقضيب العمود: يجب أن تكون قوة الشد المسبق معتدلة ، وقوة الشد المسبق ستدمر قضيب الربط ؛على العكس من ذلك ، سيتم فتح جزء التلامس من الحزمة والعمود بسبب ما قبل-قوة التشديد صغيرة جدًا.يتم أخذ التحميل المسبق الكلي على أنه 1.4 مرة الضغط الاسمي ، 280MN أكثر ملاءمة.من بينها ، تم ضبط التحميل المسبق الفردي لقضبان سحب 10 φ400mm على 17500kN ؛التحميل المسبق الفردي لقضبان سحب 12 × 320 مم تم ضبطه على 11200 كيلو نيوتن ؛تستخدم طريقة التحميل المسبق تحميل Bolt.

(6) يتم تطبيق شرط حدود القسم الصلب على القسم الأوسط من العمود.

يظهر نموذجها العددي في الصورة 5:

3.2 نتائج المحاكاة والتحليل

بعد حساب النموذج العددي لأسطوانة العمل ، يتم ملاحظة وتحليل سحابة الإجهاد المكافئة لأسطوانة العمل.

3.2.1 نتائج محاكاة وتحليل أسطوانة العمل الرئيسية الوسيطة

يتم فتح أسطوانة العمل الرئيسية لمراقبة توزيع الضغط الداخلي والخارجي لأسطوانة العمل.يظهر مخطط سحابة الإجهاد المكافئ لأسطوانة العمل الرئيسية الوسيطة في الصورة 6:

يُظهر تحليل سحابة توزيع الضغط المكافئة لأسطوانة العمل الرئيسية النتائج التالية:

(1) متوسط ​​قيمة توزيع الضغط المكافئ بالقرب من منفذ التعبئة الداخلي لأسطوانة العمل هو الأعلى ، بين 105 و 120 ميجا باسكال.أعلى نقطة للضغط المكافئ هي 119 ميجابكسل ، والموضع على الجدار الداخلي لأسطوانة العمل بالقرب من الجزء السفلي من منفذ تعبئة السائل.

(2) قيمة الإجهاد المكافئة للجدار الداخلي للجزء الأسطواني سميك الجدران من أسطوانة العمل مرتفعة نسبيًا ، ويكون توزيع الضغط المكافئ منتظمًا نسبيًا بين 95 و 115 ميجا باسكال.

(3) قيمة الضغط المكافئة في الجزء السفلي من الأسطوانة العاملة منخفضة نسبيًا ، بين 68 و 85 ميجا باسكال.

(4) يحتوي الجدار الخارجي للجزء الأسطواني ذي الجدران السميكة لأسطوانة العمل على أقل قيمة إجهاد مكافئة ، وأقصى قيمة إجهاد مكافئة هي 60 ميغا بكسل فقط.

تظهر النتائج العددية أن الحد الأقصى للضغط المكافئ لأسطوانة العمل الرئيسية يحدث بالقرب من منفذ ملء السائل للجدار الداخلي ، والقيمة 119 ميجابكسل ، وأن مادة أسطوانة العمل 35 فولاذ لها عائد قوة 240MPa بعد المعالجة الحرارية ، وعامل أمانها أكبر من 2. ويمكن إثبات أن قوة أسطوانة العمل الرئيسية تلبي متطلبات التصميم.

3.2.2 نتائج محاكاة اسطوانة العمل الجانبي

تُظهر الصورة 7 سحابة الإجهاد المكافئة للأسطوانة الجانبية.

يتم إجراء تحليل سحابة توزيع الضغط المكافئ لأسطوانة العمل الجانبية ، ويتم الحصول على النتائج التالية:

(1) يتم إنشاء أقصى إجهاد مكافئ بالقرب من منفذ ملء السائل ، وقيمة إجهاده المكافئة هي 129.5 ميجا باسكال.

(2) يكون توزيع الضغط المكافئ للجزء الأسطواني سميك الجدران من الجدار الداخلي للأسطوانة منتظمًا نسبيًا ، وقيمة الإجهاد المكافئة أعلى ، وقيمة الإجهاد المكافئة هي 85 ~ 110 ميجا باسكال.

(3) يحتوي الجدار الداخلي لأسطوانة العمل الجانبية والسطح الخارجي للأسطوانة على توزيع إجهاد موحد ، والضغط المكافئ منخفض ، وقيمة الإجهاد المكافئة في الغالب أقل من 75 ميجا باسكال.

مادة أسطوانة العمل الجانبية مصنوعة من 35 فولاذ.بعد المعالجة الحرارية ، تكون قوة الخضوع 240 ميجا باسكال.تظهر نتائج الحساب العددي أن الحد الأقصى للضغط المكافئ لأسطوانة العمل الجانبية هو 130 ميجا باسكال ، والسلامة تم حساب العامل ليكون 1.85.لذلك ، فإن قوة أسطوانة العمل الجانبية تلبي متطلبات التصميم.

4. الخلاصة

في هذا البحث ، تم استخدام نظرية التصميم التقليدية للضغط الهيدروليكي لحساب أسطوانة العمل لـ 200 MN من الضغط الهيدروليكي بالحدادة عن طريق حساب الصيغة.ثم يتم استخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة ABAQUS لنمذجة تجميع أسطوانة العمل في ثلاثة أبعاد ، ويتم استخدامه لحساب محاكاة العناصر المحدودة الثابتة.من خلال تحليل الضغط المكافئ لنتائج محاكاة اسطوانة العمل ، قوة العمل تفي الأسطوانة بمتطلبات التصميم ، مما يثبت أيضًا أن نتيجة الحساب للصيغة التقليدية صحيحة وممكنة في مواصفات تصميم أسطوانة عمل الأسطوانة الهيدروليكية.