液壓機滑塊結構設計與計算研究論文

　　1液壓機滑塊的概況

　　液壓機根據不同標準可以劃分為以下型別：以機架結構為依據，可以分為組合、整體框架式以及單臂式；以用途與功能為標準，可以劃分為衝壓、專用、鍛造及打包液壓機；根據工作介質可以分為水壓機與油壓機。液壓機對工件的壓力加工主要是藉助滑塊實現的，常為油缸驅動滑塊或者固定於滑塊上的模具。對於框架式液壓機而言，其滑塊基本均與主缸活塞桿剛性連線，設計其四角過程中安裝了可調節滑塊導軌，從運動學視角來看，滑塊與活塞桿受油缸、導軌面影響，僅可沿著導軌長度進行活動。一般情況下，油缸固定在上橫樑上，活塞、油缸孔因精準配合，因此難以調節。實踐中，導軌調整範圍應滿足補償累積誤差對精度的影響，在此情況下，滑塊下平面對工作態度的不平行度級滑塊運動方向上對工作臺的不垂直度等精度，均要符合主機精度規定。從導軌受力視角而言，在機架受力變形後，導軌面可承受相應的水平力，同時因偏心載荷影響下出現的水平位移，其也應承受隨之出現的附加水平力。為了滿足上述要求，滑塊導軌面應擁有一定的長度與寬度，以此確保導軌面上的比壓值處於合理範圍。經調查發現，液壓機處於精衝、冷擠壓或大臺面薄板衝壓情況下，為了確保導向精度，提高抗偏載能力，需要採取相應的措施，具體如下：第一，滑塊導向尺寸加長，普通滑塊導向的長度及跨度比例範圍在0.3～0.6之間，實踐中大多數液壓機保持著1.2～2.0的比值，因導向面明顯加長，提高了導向精度，減少了偏心載荷情況下的導軌面擠壓應力，隨之延長了液壓機滑塊使用時間，此方法可用於大噸位、小檯面液壓機，效果顯著；第二，滑塊導向尺寸加寬，上述方法的適應範圍小，如果液壓機為大臺面，因其跨度過大，如果僅依賴滑塊導向尺寸增加，則難以滿足實際需求，並且要使其更為笨重。為了解決此問題，經學者研究，提出了加寬方法，以此保證了導向及偏心載荷情況下的精度。在對導軌進行結構設計過程中，應關注兩個問題：第一，導軌材料選取是否合理；第二，潤滑問題。此外，為了進一步增強導軌耐磨效能，使其維修更加簡便，可在滑塊導軌上設計黃銅墊板或者膠木板，同時導軌應使用45鋼進行製造，並且在設計時要關注工藝中熱變形所造成的影響，觀察導軌間隙。導軌結構圖具體分為以下五種：第一種為四角八面推拉式，其優勢顯著，如簡單的結構、便捷的調整、較小的機型等，但也存在不足，分別為較差的滑塊精度保持性、偏低的抗偏心載荷能力；第二種為四角八面斜楔式，其優勢為便於調整，具有良好的精度保持性以及較高的抗偏心軸載荷能力，但缺點為結構過於複雜，並且整機外形偏大，此形式進可用於大臺面、大噸位的液壓機，並且其應對抗偏心載荷能力有著較高的要求；第三種為四角八面推拉式結合四角八面斜楔式，它綜合了兩種形式的優點，對各自的不足有所彌補；第四種為四角八面單面可調式，其優勢為緊湊的結構、便捷的調整及較小的機型，但缺點為對加工精度有著較高的要求，特別是立柱；第五種為X型，其主要適用於壓制工件需要加熱的液壓機，因實踐中滑塊受多重因素的影響，如模具熱傳導、輻射熱等，其會在輻射方向發生膨脹變形，而利用X型導軌後，避免了熱變形，防止了導軌間隙，並會產生內應力，但此形式抗偏細載荷能力不足，同時從加工工藝角度來看也不夠理性。

　　2液壓機滑塊的結構設計及其計算

　　2.1結構最佳化設計

　　結構最佳化設計主要是根據既有的設計引數，利用適合的最佳化方法求解出符合全部約束條件的設計變數，並使目標函式取最小或最大值。常見的最佳化方法有三種，分別為：第一，拓撲最佳化，主要是在已知的設計區域內，給定邊界、外載荷等條件，以此瞭解結構的最優材料分佈；第二，尺寸最佳化，主要是在已知的結構型別前提下，調整設計區域結構構件的尺寸，以便於獲得最適合的尺寸；第三，性狀最佳化，主要是在已知的結構型別條件下，調整設計區域的邊界及性狀，從而瞭解最佳的邊界及性狀。近些年，結構最佳化問題得到了學者的高度關注，但關於液壓機滑塊的結構設計及計算研究較少，本研究以YQK-1250框架式液壓機為例，展開了深入探討。現階段，我國的框架式液壓機主要為拉桿預緊式，因此有關研究中均以此類液壓機為研究物件，本文選取的液壓機選用了楔塊作為預緊方式，與其他液壓機相比，其優勢顯著，如機裝簡便、受力科學等。具體的工作流程如下：工作壓力來自於三個工作缸，透過液壓缸傳遞壓力，並運動至滑塊；壓邊力源於壓邊缸，通常壓邊缸固定在工作臺上。在此情況下，上模與下模經合攏，在上下壓邊力的雙重支援下，實現了單向拉伸。在使用液壓機時，應充分認識其機身動態效能，還應瞭解其滑塊的動態效能，主要是因滑塊直接連線著液壓缸及機身，二者連線剛度不牢固。液壓機的成型精度及效率等均受滑塊影響，如滑塊既有的振動頻率及振型等，因此對液壓機滑塊展開結構最佳化設計及計算是必要的。

　　2.2滑塊有限元分析

　　多於眾多問題而言，如果採用傳統的解析法求解，因假設過多而影響結果精度。在現今技術支援下，特別是計算機技術，隨之出現了有限元法，其應用日漸廣泛與普遍，將其用於各類問題中，獲得了近似解，其思想為化整為零、積零為整，對連續求解區域進行離散，使其成為有限個單元的組合體，再構建各單元有關的關係式，經組合以便於處理相應的場問題。有限元分析法常用於非線性分析以及較為複雜問題的求解，其具備豐富的功能，如動態、位移、熱傳導及準靜態等分析，在機械、航空、汽車、化工等領域均扮演著重要的角色，得到了廣大學者及科研工作者的認可與青睞。實際應用中主要是使用專門的三維造型軟體，對結構展開三維建模，透過有限元軟體及三維造型軟體間的介面，在有限元軟體中匯入三維實體，同時劃分網格、新增載荷及邊界條件等，此後將獲得結構應變力變位移雲圖，結合模擬結構，可對研究物件進行結構最佳化。關於滑塊的有限元分析：第一步便是構建滑塊有限元模型，研究中可採用不同的方法進行構造，如：三維CAD軟體，建立滑塊三維模型，將其匯入到ANSYS，建立數值模型，在建模過程中應儘可能地滿足滑塊的力學特徵。有限元分析中最為關鍵的環節便是網格劃分，其中網格的型別、數量等均對計算成本、精度等有著直接的影響，在對滑塊結構進行網格劃分過程中，結合有限元的特點，可隨意選取大小、粗細的網格，但實踐中應充分關注兩個因素，分別為計算成本與計算精度，以此保證網格劃分的合理性與有效性。此外在劃分時應遵循以下原則：第一，對結構特徵進行簡化時要確保其符合基本的運算精度；第二，建立的數學模型應具備針對性，不僅要具有較高的精度，還應擁有較低的成本；第三，選用的網格單元型別應合理，避免出現結構受力處於失真狀態。滑塊的網格型別可以選用四面體單元C3D4，對網路尺寸進行細化處理，為了提高網格質量，應對其進行全面檢查與進一步最佳化。邊界條件的施加情況如下：密度為7.88E3（kg/m3）、彈性模量為208GPa，屈服極限為236MPa，強度極限為426MPa，泊松比為0.29。對於滑塊而言，其運動時受液壓缸影響，同時其固定點處於滑塊和液壓缸相連處，因此在分析時需要利用6個自由度對滑塊與液壓缸進行約束。如圖1所示：第二步，分析模態結果，在分析滑塊模態過程中採用蘭索斯法，經分析後，提取前八階的既有頻率與振型，具體的指標如下：第一階到第八階的固有頻率分別為35.43Hz、36.43Hz、64.35Hz、114.32Hz、124.34Hz、130.42Hz、158.64Hz、312.45Hz，透過對振型的讀取可知，前三階振型可有效呈現滑塊的動態特徵，因此對三者給予了重點研究。經模態分析證實，第一階振型圍繞Z中心軸進行旋轉，該振型直接決定了滑塊的導向性，增加了滑塊與導柱間的接觸力，隨之影響了滑塊導向機構的使用時間；第二階振型圍繞Y中心軸進行扭轉，此振型直接影響著主缸及側缸活塞桿，當其水平一致性變化後，三個液壓缸便會出現歪斜問題；第三階振型圍繞X中心軸進行扭轉，此振型直接影響著工作臺上的平面及滑塊下的平面，使其平行度發生了改變，同時也對滑塊和立柱間的垂直度造成了一定影響。在此情況下，如果未能給予合理最佳化與改進，加工精度將降低、模具使用時間縮短。

　　2.3最佳化演算法

　　最佳化的物件主要有三個，分別為：第一，設計變數，其具有一定的`獨立性，又稱自變數，通常每個自變數均有著上限值與下限值，並對值的變化範圍進行了定義，最多情況下，自變數可有60個，其可同時處在ANSYS程式中，經最佳化後被設定，狀態變數，其為設計變數的函式，具有約束作用，通常其最多可達到100個，經程式最佳化後被設定；第二，目標函式，其為設計變數的函式，如果設計變數值發生改變，則目標函式值也會隨之改變，通常在程式最佳化中僅有一個目標函式被設定；第三，分析檔案，其為命令流出檔案，其處於整個分析過程中，體現在前處理、求解及後處理等各個方面。最佳化演算法，在ANSYS中建立不同的最佳化演算法：一種為零階逼近法，又稱為零階法；另一種為一階法。第一種方法中涉及兩個關鍵涵義：其為目標函式與狀態變數的逼近方法；其使約束問題轉變成了非約束問題。第二種方法與上述方法一致，二者均是向目標函式增加懲罰函式後，實現了約束與否問題的轉換。該方法可使用因變數對設計變數的偏導數，在重複過程中，梯度計算搜尋方向受最大斜度法及梯度計算法影響，此外非約束問題可藉助直線搜尋法使其達到最小化，利用一系列的子迭代，構成了每次迭代過程，同時其中也涵蓋了搜尋方向以及梯度計算。與第一種方法相比，後者的缺點明顯，即計算量多大，但經嚴格計算後可獲得精準的結果，少數情況下，精準的結果未必表示獲得了最佳解。具體的最佳化流程如下：在ANSYS中展開最佳化設計，最佳化計算時，對設計變數與狀態變數等設定約束條件，同時設定相應的目標函式、迴圈控制模型以及最最佳化方法等，此後結合假設條件構造目標函式，在此情況下便實現了問題的轉換，即：由約束最佳化問題轉變為非約束最佳化問題，再給予迭代計算。在搜尋時以約束空間內的某一方向實施，隨之會出現一系列的解；根據某一法則，提出新的設計變數，此後再進行新一輪迭代計算。當條件未能符合預先設定的值，則要繼續迭代計算，而如果條件符合設定值，則結束計算，並輸出結果。

　　2.4滑塊質量最佳化

　　液壓機滑塊作為重要的組成部分，因頻繁使用，其受損頻率較高，同時其作為滑動部件及受力部分，應對其質量進行積極的最佳化與改進。由於設計初期便確定了液壓機整體資料，因此設計過程中將已知的滑塊資料視為變數。經分析證實，滑塊質量改變主要受板位置及其厚度的影響，而其也受滑塊力學效能及動態效能影響。關於滑塊的數學模型，第一，目標函式，其作為滑塊質量的最小值minM（x1，x2......xn），因質量受體積、密度決定，即)......,(min)......,(min2121nnxMx×=ρxxxVx，因此在體積處於最小值的情況下，目標質量為最小值，在此情況下，最佳化時僅關注最小體積即可；第二，設計變數，因滑塊質量最小值與其厚度、長度、密度等有關，因此在設計數學模型的過程中，設計變數應選取滑塊內部各筋板的厚度，將各號筋板的厚度視為設計變數，初始值均為30、下限值均為20、上限值均為65；第三，狀態變數，其為設計變數函式，又稱因變數，對於任何液壓機而言，其構造確定均應滿足結構設計基本要求，即複合材料強度、剛度等需求，狀態變數應選取滑塊的最大應變及最大應力，結合常規橫樑剛度可知，單位跨度撓度應低於0.2mm，滑塊寬度經液壓機既有引數可知，其為4.5m，在此基礎上，滑塊撓度應是0.9mm。經最佳化結果對比可知，滑塊質量明顯降低，下降幅度在1.5%左右，最大等效應力有所增加，與最佳化前對比，增長了約15.0%，同時整體應力分佈較為均勻，此外Z方向的位移約5.0%。總之，經最佳化處理，液壓機質量減少，側面體現其應力與撓度增大。

　　3結語

　　綜上所述，液壓機滑塊作為重要的部件，其結構設計情況直接影響著液壓機的使用效果。本文介紹了液壓機滑塊的概況，重點探討了其最佳化設計及計算，透過有限元分析法及ANSYS軟體，構建了相應的模型，待最佳化後獲得了最小質量，同時其位移、應力等分佈也更加規律與均勻。

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