Em minha jornada pela área de manufatura, mergulhei no projeto estrutural e na análise de elementos finitos de grandes prensas hidráulicas de forjamentoEssas máquinas potentes são essenciais para a produção de componentes de alta resistência, e seu projeto exige a consideração cuidadosa de vários fatores para garantir confiabilidade e eficiência. Utilizando a análise de elementos finitos, consegui identificar potenciais fragilidades na estrutura e otimizar o desempenho. Neste artigo, explorarei os principais aspectos da forjaria de grande porte. prensa hidráulica projeto estrutural e o papel da análise de elementos finitos no aumento de sua eficácia e durabilidade em aplicações industriais.

1. O que é Prensa hidráulica de forjamento grande

O cilindro de trabalho é um atuador importante da máquina hidráulica. Ele converte a energia da pressão do líquido em energia mecânica. De acordo com o tipo de estrutura, ele é dividido em tipo êmbolo, tipo pistão, tipo oscilante e tipo telescópico. O cilindro de trabalho da máquina de forjamento 200MN prensa hidráulica Adota um tipo de êmbolo, que possui uma estrutura simples e é fácil de fabricar. É uma forma estrutural comumente utilizada em grandes máquinas hidráulicas. A teoria tradicional de projeto de prensas hidráulicas é a base principal para o projeto estrutural do cilindro de trabalho.

O ABAQUS é especialista em resolver problemas complexos e possui software de análise de elementos finitos líder mundial. É amplamente utilizado em máquinas, nas áreas militar, química, automotiva e outras indústrias. Utilizando o ABAQUS para simular numericamente o cilindro hidráulico, a distribuição de tensões do cilindro de trabalho pode ser determinada com precisão e a racionalidade de seu projeto estrutural pode ser analisada.

2. Projeto estrutural do cilindro de trabalho

Para economizar energia, especialmente para reduzir o consumo de energia, a prensa hidráulica de forjamento grande de 200 MN utiliza seis cilindros de trabalho em três fileiras. Os seis cilindros de trabalho podem gerar 200 MN de pressão simultaneamente, os quatro cilindros menores em ambos os lados podem gerar 80 MN de pressão e os dois cilindros maiores do meio podem gerar 120 MN de pressão. Os cilindros de trabalho com diferentes movimentos podem gerar 3 níveis de pressão, e diferentes forjados podem ser produzidos para selecionar o nível de pressão correspondente, o que economiza bastante. A estrutura do corpo e o layout do cilindro de trabalho são mostrados nas Figuras 1 e 2.

Para aumentar a vida útil do cilindro de trabalho, o projeto utiliza o parafuso diretamente para fixar o bloco do cilindro na viga superior, ou seja, o suporte inferior. Isso não apenas melhora a rigidez e a resistência da viga superior, como também reduz a tensão na parede do cilindro de trabalho.

A conexão de dobradiça de esfera única é adequada para o controle deslizante e os quatro êmbolos de cilindro pequeno na lateral, e a conexão de dobradiça de esfera dupla é o melhor método de conexão para o controle deslizante e os dois êmbolos de cilindro mestre do meio, conforme mostrado na Figura 3a, b.

Quando a pressão de trabalho do cilindro de trabalho é superior a 20 MPa, o forjamento em aço carbono é o principal modo de produção do cilindro de trabalho. O cilindro de trabalho da prensa hidráulica de forjamento de 200 MN trabalha sob alta pressão de 31,5 MPa, e a estrutura é grande, dificultando o forjamento integral. Portanto, é forjado por soldagem de aço 35, normalizado e revenido, com limite de escoamento de 240 MPa.

O êmbolo oscila no cilindro e tem grande influência no desgaste da luva guia e da vedação, portanto, a superfície do êmbolo deve ter dureza suficiente e bom acabamento superficial. Para atender a esse requisito, o êmbolo é geralmente feito de aço carbono forjado com alto teor de carbono e submetido a um tratamento de reforço superficial após a usinagem. O êmbolo da máquina hidráulica é forjado em aço 45.

A pressão nominal de trabalho do cilindro de trabalho intermediário é de 120MN, e o cálculo de projeto de seus parâmetros estruturais é o seguinte:

De acordo com a pressão total nominal F(N) que o cilindro hidráulico deve produzir e a pressão de trabalho do líquido selecionada P (MPa), o diâmetro do êmbolo D é determinado pela seguinte fórmula:

A partir da fórmula (1), calcula-se D=1557,7 mm e, após o arredondamento, toma-se D=1560 mm, e o diâmetro interno D1 do cilindro hidráulico é conectado ao êmbolo.

Está relacionado com a folga Δt da parede interna do cilindro, sendo preferível tomar 15 mm de acordo com a experiência Δt.

De acordo com a fórmula (2) acima, o diâmetro interno D1 do cilindro hidráulico é determinado como 1590 mm. De acordo com a fórmula empírica, o diâmetro externo D2 do cilindro hidráulico é:

[σ] pegue 120 MPa, de acordo com a fórmula acima (2), encontre o diâmetro externo D2 do cilindro hidráulico é 2153 mm e de acordo com a fórmula:

  r1———Raio interno do cilindro (mm)

  r2———Raio externo do cilindro hidráulico (mm)

  Calculado pela equação (4), r2≥1076,5mm, considere D2=2*r2 = 2250mm.

Espessura do fundo do cilindro: t=(1,5~2)*(r2-r1) (5)

A pressão nominal dos quatro cilindros de trabalho laterais é de 80 MPa. Da mesma forma, os parâmetros estruturais do cilindro de trabalho lateral podem ser obtidos preliminarmente da seguinte forma:

Diâmetro do êmbolo D=900 mm, Δt=10 mm, diâmetro interno do cilindro hidráulico D1=920 mm, diâmetro externo D2=1360 mm, espessura do fundo do cilindro t=300 mm.

3. Simulação numérica e análise de resultados do cilindro de trabalho

Atualmente, a maioria dos cilindros de prensas hidráulicas de forjamento de grande porte utiliza o algoritmo empírico da mecânica elástica. Os parâmetros básicos de projeto são determinados com base em dados relevantes e, em seguida, a verificação da resistência é realizada de acordo com o modelo mecânico simplificado. No entanto, devido à estrutura complexa do cilindro hidráulico, é difícil estabelecer modelos mecânicos e matemáticos precisos, especialmente na zona de concentração de tensões. Utilizando o método dos elementos finitos para calcular o cilindro hidráulico, a distribuição de tensões do cilindro hidráulico pode ser determinada com precisão e, em seguida, a racionalidade do projeto estrutural é analisada. As principais dimensões do cilindro de trabalho são mostradas na Figura 4.

3.1 Estabelecimento do modelo de elementos finitos

3.1.1 Modelo estrutural e divisão de unidades

Para tornar o cálculo do cilindro de trabalho mais próximo da condição real de trabalho, os seis cilindros de trabalho são montados com a viga superior de acordo com as condições reais. Considerando que a deformação da viga inferior tem pouco efeito sobre o cilindro de trabalho, o modelo da coluna é interceptado à metade da altura.

O tipo de grade do cilindro de trabalho é selecionado como a unidade tetraédrica C3D4, e os detalhes do filete inferior do cilindro, da entrada de óleo e do furo roscado são mesclados e subdivididos. Os quatro cilindros laterais são divididos em 940.000 unidades, e os dois cilindros mestres do meio são divididos em 1,2 milhão de unidades.

3.1.2 Condições de contorno

(1) Uma pressão uniforme de 31,5 MPa é aplicada à superfície da parede interna do cilindro de trabalho, e a pressão do líquido é distribuída abaixo da parede interna do cilindro de trabalho.

(2) O coeficiente de atrito μ é definido como 0,1 e o tipo de contato é selecionado como um contato superfície-superfície padrão.

(3) Defina as propriedades do material do cilindro de trabalho: o coeficiente de Poisson λ é 0,3 e o módulo de elasticidade E é 206.000 MPa.

(4) A alavanca do bloco da viga superior é pré-apertada: φ200mm (10 peças), a força de pré-aperto única é definida para 4000kN e o modo de pré-aperto adota carga de parafuso.

(5) Pré-aperto da barra da coluna: A força de pré-aperto deve ser moderada, e a força de pré-aperto destruirá a barra de direção; caso contrário, a parte de contato da viga e da coluna será aberta devido à força de pré-aperto ser muito pequena. A pré-carga total é considerada 1,4 vezes a pressão nominal, 280MN é mais adequada. Entre elas, a pré-carga única de 10 barras de tração de φ400 mm é definida para 17500 kN; a pré-carga única de 12 barras de tração de φ320 mm é definida para 11200 kN; o método de pré-carregamento usa carga de parafuso.

(6) A condição de contorno da seção sólida é aplicada à seção intermediária da coluna.

Seu modelo numérico é mostrado na Figura 5:

3.2 Resultados e análise da simulação

Após o cálculo do modelo numérico do cilindro de trabalho, a nuvem de tensões equivalente do cilindro de trabalho é observada e analisada.

3.2.1 Resultados da simulação e análise do cilindro de trabalho principal intermediário

O cilindro de trabalho principal é aberto para observar a distribuição de tensões interna e externa. O diagrama de nuvem de tensões equivalente do cilindro de trabalho principal intermediário é mostrado na Figura 6:

A análise da nuvem de distribuição de tensões equivalentes do cilindro de trabalho principal mostra os seguintes resultados:

(1) O valor médio da distribuição de tensão equivalente próximo à porta de enchimento interna do cilindro de trabalho é o mais alto, entre 105 e 120 MPa. O ponto mais alto da tensão equivalente é 119 MPa, e a posição está na parede interna do cilindro de trabalho, próximo à parte inferior da porta de enchimento de líquido.

(2) O valor de tensão equivalente da parede interna da parte cilíndrica de parede espessa do cilindro de trabalho é relativamente alto, e a distribuição de tensão equivalente é relativamente uniforme entre 95 e 115 MPa.

(3) O valor da tensão equivalente na parte inferior do cilindro de trabalho é relativamente baixo, entre 68 e 85 MPa.

(4) A parede externa da parte cilíndrica de parede espessa do cilindro de trabalho tem o menor valor de tensão equivalente, e o valor máximo de tensão equivalente é de apenas 60 MP.

Os resultados numéricos mostram que a tensão equivalente máxima do cilindro de trabalho principal ocorre perto da porta de enchimento de líquido da parede interna, o valor é 119 MP, e o material do cilindro de trabalho 35 aço tem uma resistência ao escoamento de 240 MPa após tratamento térmico, e seu fator de segurança é maior que 2. Pode ser comprovado ainda que a resistência do cilindro de trabalho principal atende aos requisitos de projeto.

3.2.2 Resultados da simulação do cilindro de trabalho lateral

A figura 7 mostra a nuvem de tensões equivalente do cilindro lateral.

É realizada a análise da nuvem de distribuição de tensões equivalentes do cilindro de trabalho lateral, obtendo-se os seguintes resultados:

(1) A tensão equivalente máxima é gerada perto da porta de enchimento do líquido e seu valor de tensão equivalente é 129,5 MPa.

(2) A distribuição de tensão equivalente da parte cilíndrica de parede espessa da parede interna do cilindro é relativamente uniforme, e o valor de tensão equivalente é maior, e o valor de tensão equivalente é 85~110MPa.

(3) A parede interna do cilindro de trabalho lateral e a superfície externa do cilindro têm distribuição uniforme de tensões, e a tensão equivalente é baixa, e o valor da tensão equivalente está principalmente abaixo de 75 MPa.

O material do cilindro de trabalho lateral é feito de aço 35. Após o tratamento térmico, a resistência ao escoamento é de 240 MPa. Os resultados do cálculo numérico mostram que a tensão equivalente máxima do cilindro de trabalho lateral é de 130 MPa, e o fator de segurança é calculado em 1,85. Portanto, a resistência do cilindro de trabalho lateral atende aos requisitos de projeto. 

4. Conclusão

Neste artigo, utiliza-se a teoria tradicional de projeto de prensas hidráulicas de forjamento de grande porte para calcular o cilindro de trabalho de uma prensa hidráulica de forjamento de 200 MN por meio de cálculo de fórmula. Em seguida, utiliza-se o software de análise de elementos finitos ABAQUS para modelar o conjunto do cilindro de trabalho em três dimensões, e também para o cálculo da simulação estática de elementos finitos. Através da análise da tensão equivalente dos resultados da simulação do cilindro de trabalho, verifica-se que a resistência do cilindro de trabalho atende aos requisitos de projeto, o que comprova ainda mais que o resultado do cálculo da fórmula tradicional está correto e viável na especificação de projeto do cilindro hidráulico.