液压管材矫直机机架工作状态有限元研究

1、0157omm液压管材矫直机机架工作状态有限元研究摘要$ 15-70mm液压管材矫直机为十二辘矫直机，采用有限元方法分析矫直过程中机架受力变形情况。 研究建立了矫直机机架的三维模型，用最大理论矫直力作为工作载荷，对机架的形变进行有限元仿真分析研 究。得出了机架的各单元、节点的变形值及应力值，找到了机架的应力和位移分布规律，并据此提出了机架 的改进措施，为保证矫直精度打下基础。关键词 液压矫直机 机架 三维建模 有限元finite-element research of the frame for 15-70mm hydraulicpipe straightening machinezhang

2、baisen wang changzhou song jinchun(school of mechanical engineering & automation, northeastern university)abstract 15-70mm hydraulic pipe straighte ning machine is of 12 rollers drive n by hydraulic cylinders .in this paper, the deformation of the frame was analyzed with finite-element method th

3、e 3d model of the frame was established; and the working load was utilized through the simulation research, the stress distribution condition of the frame was acquired, and improvement method was proposed.keywords hydraulic straightening machine frame 3d modeling finite-element method1引言矫直是管材梢整过程中的重

4、要工序。矫直过程就是对经过轧制、焊接和热处理后的钢管，消除沿轴线的 弯illi和横截面椭圆度缺陷的过程。斜辘矫直机是管材矫直的主要设备。矫直机的精度受到多种因索的影响, 其屮矫直机机架的形变影响是主要因素之一2現木文的研究对象是一种液压驳动的十二辘管材矫直机，矫肓 的管材的直径范围是015金070mm。该侨直机的6个压下馄和2个支承馄均为液压油缸驱动。液压系统的主 要特点是功率重量比大、控制棒度高等。而液压缸的大输出力也会对矫直机机架造成一定的影响，进而影响 矫直机的矫直梢度。2工作特点15-70液压矫直机的主要组成包括：上料装置、矫直机主机、矫肓机出料装置、液压控制系统、电气控 制系统及出料

5、台架等。该矫直机与传统侨直机的主要区别在于采川采川液压缸替代电动机作为工作辘的驱动 装置，并采用电液比例控制系统实现丄作车昆丄作位置的箱确控制，进而实现对辘缝的精确控制。该种设计在 国内处于领先地位。液压系统具有系统刚度人、频率响应髙等特点，同吋液压缸的人输岀力对矫总机机架的 彫响也比较突出。为了较为精确的对15-70十二辘矫直机进行工作状态的研究，需要对矫直机建立整机三维 实体模型。本文采用solidworks三维建模软件，建立了小570液压管材矫肓机的三维模型如图1所示。图1 15-70管材矫直机三维实体模型3模型前处理根据机架的安装情况及矫直过程中的受力情况，设置机架底而靠地脚螺栓联接地

6、而，此处为刚性约束， 在此表面施加x, y, z三个方向位移为零的约束。机架载荷采用现场实测载荷的平均值，分别在在上机架安装的第1、2、3矫肓辘的空腔仁面处加载。考 虑到上机架的受力面为环ifll, nj"采用施加均布载荷句。侨直力的大小和转换为受力面的面压力分别如表1所 /j<o农1矫直机机架受力参数农第一组辘上辘受力kn第二组辘上馄受力kn第三组辘上鶴受力kn80.98260.4680.98第一组辐下辘受力kn第二组辘下辘受力kn第三组辘下辘受力kn18.69385.051&69受力面n/m? (pa)受力面n/n? (pa)受力面n/m2 (pa)3436889.

7、60411054449.923436889.604受力面n/m? (pa)受力面n/n? (pa)受力面n/m2 (pa)793128.371634197239793128.37将载荷和约束加载到冇限元模型中，如图2所示et.ekfot8ktgrrtorpr"003772x67r*0711ck»o9.152c<00 9r1b*o7 u4r*0r 169r40ranxa丫 10 201020:23:5615-70：z图2矫直机受力和约束图4有限元研究对矫直机机架进行有限元计算后矫直机的变形最大处为上横梁矫直辘安装廉处,最大变形量为1.09mm, 位于屮间上辘安装廉位处，

8、上下变形总量人于2mm,将影响辘缝的精度。计算后变形云图如图3所示。nodal solutionstep-1sub «1time-1usum (avg)rsys-0dwc -.00109anmay 2 201020:s3:4s12ie03 484s-03 72 6s* 0 3.60sk-038482-0300109file:.3632-03smx -.00109图3矫直机机架变形图由以上分析结果可知，机架的变形主要集中在上横梁和底座。理论分析得出对机架的横梁及底座进行结 果设计改进吋增大结构刚度、减小机架的变形量。据此在上横梁和底座处加筋板。如图4、图5所示。图4横梁改进剖视图图5底

9、座改进剖视图对改进后的机架进行同条件下的有限元仿真研究，结果如图6所示。图7改进厉的机架变形图由仿真结果可知，优化后的机架受力变形明显变小，变形总量之和为0.529mm,己经可以符合要求，因 此，改进后机架形式对提高系统的稳定性有重要意义。5结论矫直机受力后，应力主要集中在安装座底部的焊接处，此处为焊接点容易出现损坏，因此，要求对焊接 后的底座和上横梁要有探伤，并提髙焊接性能的要求。受力变形的主要承载为横向的钢板，若能提髙钢板的 厚度，也将减少变形的发牛。对矫直机机架底座进行改进设计对降低机架的变形量具有重要影响。参考文献1崔甫.矫直原理与矫直机械(第二版)m,北京：冶金工业岀版社，2005,

10、 111-1122j john r s modern straightening machine for pipe, tube, bars and sections j, iron and steel engineer, 1977, (11)： 38-453 mischke, j. jonca simulation of the roller straightening processs j, journal of m aterials processing technology, 1992,(34)： 265-272(4 赵云河，马敬勋,曝桃红，单为春.矫直机框架力学分析j.山东冶金.2006.615赵平科，刘