Auf meiner Reise durch die Fertigungsbranche habe ich mich intensiv mit der Strukturgestaltung und der Finite-Elemente-Analyse von große hydraulische SchmiedepressenDiese leistungsstarken Maschinen sind für die Herstellung hochfester Komponenten unerlässlich. Ihre Konstruktion erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung verschiedener Faktoren, um Zuverlässigkeit und Effizienz zu gewährleisten. Durch die Finite-Elemente-Analyse konnte ich potenzielle Schwachstellen in der Struktur identifizieren und die Leistung optimieren. In diesem Artikel werde ich die wichtigsten Aspekte der Großschmiedetechnik untersuchen. hydraulische Presse Strukturdesign und die Rolle der Finite-Elemente-Analyse bei der Verbesserung ihrer Wirksamkeit und Haltbarkeit in industriellen Anwendungen.

1. Was ist Große hydraulische Schmiedepresse

Der Arbeitszylinder ist ein wichtiger Aktuator der Hydraulikmaschine. Er wandelt die Druckenergie der Flüssigkeit in mechanische Energie um. Je nach Bauart wird zwischen Kolben-, Kolben-, Schwenk- und Teleskopzylindern unterschieden. Der Arbeitszylinder des 200MN-Schmiedeteils hydraulische Presse Der Kolbentyp ist einfach aufgebaut und leicht herzustellen. Diese Bauform wird häufig in großen Hydraulikmaschinen verwendet. Die traditionelle Konstruktionstheorie hydraulischer Pressen bildet die Hauptgrundlage für die Konstruktion des Arbeitszylinders.

ABAQUS ist auf die Lösung komplexer Probleme spezialisiert und hat eine weltweit führende Software zur Finite-Elemente-Analyse entwickelt. Sie wird häufig im Maschinenbau, im Militär, in der Chemie, in der Automobilindustrie und in anderen Industriezweigen eingesetzt. Durch die numerische Simulation des Hydraulikzylinders mit ABAQUS kann die Spannungsverteilung des Arbeitszylinders genau bestimmt und die Rationalität seiner Strukturkonstruktion analysiert werden.

2. Konstruktiver Aufbau des Arbeitszylinders

Um Energie zu sparen und insbesondere den Stromverbrauch zu senken, verfügt die 200-MN-Großschmiedepresse über sechs Arbeitszylinder in drei Reihen. Die sechs Arbeitszylinder erzeugen gleichzeitig einen Druck von 200 MN, die vier kleinen Arbeitszylinder auf beiden Seiten einen Druck von 80 MN und die beiden mittleren großen Arbeitszylinder einen Druck von 120 MN. Die Arbeitszylinder mit unterschiedlichen Bewegungen können drei Druckstufen erzeugen. Durch die Herstellung unterschiedlicher Schmiedeteile mit der entsprechenden Druckstufe lassen sich Kosten sparen. Der Aufbau des Gehäuses und die Anordnung der Arbeitszylinder sind in Bild 1 und Bild 2 dargestellt.

Um die Lebensdauer des Arbeitszylinders zu verbessern, wird bei der Konstruktion der Zylinderblock direkt mit der Schraube am oberen Träger befestigt, d. h. es wird die untere Stütze verwendet. Dies verbessert nicht nur die Steifigkeit und Festigkeit des oberen Trägers, sondern verringert auch die Zylinderwandspannung des Arbeitszylinders.

Die Einzelkugelgelenkverbindung eignet sich für den Schieber und die vier kleinen Zylinderkolben an der Seite, und die Doppelkugelgelenkverbindung ist die beste Verbindungsmethode für den Schieber und die beiden mittleren Hauptzylinderkolben, wie in Bild 3a, b gezeigt.

Wenn der Arbeitsdruck des Arbeitszylinders über 20 MPa liegt, wird hauptsächlich Kohlenstoffstahl geschmiedet. Der Arbeitszylinder einer 200-MN-Schmiedehydraulikpresse arbeitet unter einem hohen Druck von 31,5 MPa. Aufgrund seiner großen Struktur ist ein vollständiges Schmieden schwierig. Daher wird er durch Schweißen von 35-Stahl geschmiedet, normalisiert und angelassen. Seine Streckgrenze beträgt 240 MPa.

Der Kolben bewegt sich im Zylinder hin und her und hat großen Einfluss auf den Verschleiß der Führungshülse und der Dichtung. Daher muss die Kolbenoberfläche eine ausreichende Härte und eine gute Oberflächengüte aufweisen. Um diese Anforderung zu erfüllen, besteht der Kolben in der Regel aus kohlenstoffgeschmiedetem Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und wird nach der Bearbeitung einer Oberflächenverfestigung unterzogen. Der Kolben einer Hydraulikmaschine ist aus 45er Stahl geschmiedet.

Der Nennarbeitsdruck des Zwischenarbeitszylinders beträgt 120 MN und die Konstruktionsberechnung seiner Strukturparameter lautet wie folgt:

Entsprechend dem nominalen Gesamtdruck F(N), den der Hydraulikzylinder erzeugen soll, und dem gewählten Flüssigkeitsarbeitsdruck P (MPa) wird der Kolbendurchmesser D durch die folgende Formel bestimmt:

Aus der Formel (1) wird D=1557,7 mm berechnet und nach dem Runden D=1560 mm genommen, und der Innendurchmesser D1 des Hydraulikzylinders wird mit dem Kolben verbunden.

Dies hängt mit dem Spalt Δt der Innenwand des Zylinders zusammen und es ist vorzuziehen, entsprechend dem Erfahrungswert Δt 15 mm zu nehmen.

Gemäß der obigen Formel (2) wird der Innendurchmesser D1 des Hydraulikzylinders mit 1590 mm bestimmt. Gemäß der empirischen Formel beträgt der Außendurchmesser D2 des Hydraulikzylinders:

[σ] Nehmen Sie 120 MPa und ermitteln Sie gemäß der obigen Formel (2), dass der Außendurchmesser D2 des Hydraulikzylinders 2153 mm beträgt. Gemäß der Formel:

  r1———Innenradius des Zylinders (mm)

  r2———Außenradius des Hydraulikzylinders (mm)

  Berechnet mit Gleichung (4), r2≥1076,5 mm, nehmen Sie D2=2*r2 = 2250 mm.

Dicke des Zylinderbodens: t=(1,5~2)*(r2-r1) (5)

Der Nenndruck der vier seitlichen Arbeitszylinder beträgt 80 MPa. Die Strukturparameter der seitlichen Arbeitszylinder können vorläufig wie folgt ermittelt werden:

Kolbendurchmesser D=900 mm, Δt=10 mm, Innendurchmesser des Hydraulikzylinders D1=920 mm, Außendurchmesser D2=1360 mm, Zylinderbodendicke t=300 mm.

3. Numerische Simulation und Ergebnisanalyse des Arbeitszylinders

Derzeit verwenden die meisten Zylinder großer hydraulischer Schmiedepressen den empirischen Algorithmus der elastischen Mechanik. Anhand der grundlegenden Konstruktionsparameter werden diese anhand relevanter Daten ermittelt und anschließend die Festigkeitsprüfung anhand eines vereinfachten mechanischen Modells durchgeführt. Aufgrund der komplexen Struktur des Hydraulikzylinders ist es jedoch schwierig, genaue mechanische und mathematische Modelle zu erstellen, insbesondere im Spannungskonzentrationsbereich. Mithilfe der Finite-Elemente-Methode lässt sich die Spannungsverteilung des Hydraulikzylinders genau bestimmen und anschließend die strukturelle Konstruktionsrationalität analysieren. Die Hauptabmessungen des Arbeitszylinders sind in Abbildung 4 dargestellt.

3.1 Erstellung des Finite-Elemente-Modells

3.1.1 Strukturmodell und Einheitenaufteilung

Um die Berechnung des Arbeitszylinders näher an den tatsächlichen Arbeitsbedingungen zu bringen, werden die sechs Arbeitszylinder entsprechend den tatsächlichen Bedingungen mit dem oberen Balken zusammengebaut. Da die Verformung des unteren Balkens nur geringe Auswirkungen auf den Arbeitszylinder hat, wird das Säulenmodell auf die halbe Höhe abgefangen.

Der Arbeitszylindergittertyp wird als Tetraedereinheit C3D4 ausgewählt, und die Details der Zylinderbodenrundung, des Öleinlasses und des Gewindelochs werden vernetzt und unterteilt. Die vier Seitenzylinder sind in 940.000 Einheiten unterteilt, und die mittleren 2 Hauptzylinder sind in 1,2 Millionen Einheiten unterteilt.

3.1.2 Randbedingungen

(1) Auf die Innenwandfläche des Arbeitszylinders wird ein gleichmäßiger Druck von 31,5 MPa ausgeübt, und der Flüssigkeitsdruck verteilt sich unter der Innenwand des Arbeitszylinders.

(2) Der Reibungskoeffizient μ wird auf 0,1 eingestellt und der Kontakttyp wird als Standard-Oberfläche-Oberfläche-Kontakt ausgewählt.

(3) Legen Sie die Materialeigenschaften des Arbeitszylinders fest: Die Poissonzahl λ beträgt 0,3 und der Elastizitätsmodul E beträgt 206.000 MPa.

(4) Der obere Balkenblockhebel ist vorgespannt: φ200 mm (10 Stück), die einzelne Vorspannkraft ist auf 4000 kN eingestellt und der Vorspannmodus übernimmt die Bolzenlast.

(5) Vorspannen der Stützenstange: Die Vorspannkraft sollte moderat sein, da sie die Zugstange zerstört. Andernfalls öffnet sich die Kontaktfläche zwischen Träger und Stütze, da die Vorspannkraft zu gering ist. Die Gesamtvorspannung beträgt das 1,4-fache des Nenndrucks, 280 MN sind besser geeignet. Die Einzelvorspannung von 10 Zugstangen mit 400 mm Durchmesser beträgt 17.500 kN, die Einzelvorspannung von 12 Zugstangen mit 320 mm Durchmesser 11.200 kN. Die Vorspannung erfolgt mittels Bolzenkraft.

(6) Die Randbedingung des massiven Querschnitts wird auf den mittleren Abschnitt der Stütze angewendet.

Sein numerisches Modell ist in Abbildung 5 dargestellt:

3.2 Simulationsergebnisse und Analyse

Nach der Berechnung des numerischen Modells des Arbeitszylinders wird die äquivalente Spannungswolke des Arbeitszylinders beobachtet und analysiert.

3.2.1 Simulationsergebnisse und Analyse des Zwischenhauptarbeitszylinders

Der Hauptarbeitszylinder wird aufgeschnitten, um die innere und äußere Spannungsverteilung des Arbeitszylinders zu beobachten. Das äquivalente Spannungswolkendiagramm des mittleren Hauptarbeitszylinders ist in Abbildung 6 dargestellt:

Die Analyse der äquivalenten Spannungsverteilungswolke des Hauptarbeitszylinders zeigt folgende Ergebnisse:

(1) Der Durchschnittswert der äquivalenten Spannungsverteilung in der Nähe der inneren Einfüllöffnung des Arbeitszylinders ist mit 105 bis 120 MPa am höchsten. Der höchste Punkt der äquivalenten Spannung liegt bei 119 MPa und befindet sich an der Innenwand des Arbeitszylinders in der Nähe des unteren Teils der Flüssigkeitseinfüllöffnung.

(2) Der äquivalente Spannungswert der Innenwand des dickwandigen zylindrischen Teils des Arbeitszylinders ist relativ hoch und die äquivalente Spannungsverteilung ist zwischen 95 und 115 MPa relativ gleichmäßig.

(3) Der äquivalente Spannungswert am Boden des Arbeitszylinders ist relativ niedrig und liegt zwischen 68 und 85 MPa.

(4) Die Außenwand des dickwandigen zylindrischen Teils des Arbeitszylinders hat den niedrigsten äquivalenten Spannungswert und der maximale äquivalente Spannungswert beträgt nur 60 MP.

Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass die maximale äquivalente Spannung des Hauptarbeitszylinders in der Nähe der Flüssigkeitseinfüllöffnung der Innenwand auftritt und einen Wert von 119 MPa aufweist. Das Material des Arbeitszylinders, Stahl 35, weist nach der Wärmebehandlung eine Streckgrenze von 240 MPa auf und sein Sicherheitsfaktor ist größer als 2. Damit kann weiter nachgewiesen werden, dass die Festigkeit des Hauptarbeitszylinders den Konstruktionsanforderungen entspricht.

3.2.2 Simulationsergebnisse des seitlichen Arbeitszylinders

Bild 7 zeigt die äquivalente Spannungswolke des Seitenzylinders.

Die Analyse der äquivalenten Spannungsverteilungswolke des seitlichen Arbeitszylinders wird durchgeführt und es werden die folgenden Ergebnisse erzielt:

(1) Die maximale Vergleichsspannung wird in der Nähe der Flüssigkeitseinfüllöffnung erzeugt und ihr Vergleichsspannungswert beträgt 129,5 MPa.

(2) Die äquivalente Spannungsverteilung des dickwandigen zylindrischen Teils der Innenwand des Zylinders ist relativ gleichmäßig und der äquivalente Spannungswert ist höher und beträgt 85 bis 110 MPa.

(3) Die Innenwand des seitlichen Arbeitszylinders und die Außenfläche des Zylinders weisen eine gleichmäßige Spannungsverteilung auf, und die äquivalente Spannung ist gering, und der äquivalente Spannungswert liegt meist unter 75 MPa.

Das Material des seitlichen Arbeitszylinders besteht aus 35er Stahl. Nach der Wärmebehandlung beträgt die Streckgrenze 240 MPa. Die numerischen Berechnungsergebnisse zeigen, dass die maximale Vergleichsspannung des seitlichen Arbeitszylinders 130 MPa beträgt und der Sicherheitsfaktor mit 1,85 berechnet wird. Daher entspricht die Festigkeit des seitlichen Arbeitszylinders den Konstruktionsanforderungen. 

4. Fazit

In dieser Arbeit wird die traditionelle Konstruktionstheorie großer hydraulischer Schmiedepressen verwendet, um den Arbeitszylinder einer hydraulischen Schmiedepresse mit 200 MN durch Formelberechnung zu berechnen. Anschließend wird die Finite-Elemente-Analysesoftware ABAQUS verwendet, um die Arbeitszylinderbaugruppe dreidimensionaler zu modellieren und für die statische Finite-Elemente-Simulationsberechnung zu verwenden. Durch die Analyse der Vergleichsspannung der Simulationsergebnisse des Arbeitszylinders entspricht die Festigkeit des Arbeitszylinders den Konstruktionsanforderungen. Dies belegt erneut, dass das Berechnungsergebnis der traditionellen Formel korrekt und in der Konstruktionsspezifikation des Arbeitszylinders für Hydraulikzylinder anwendbar ist.