风电叶片模具液压翻转机构的优化设计

风电叶片模具液压翻转机构的优化设计

目前，电动片模型的打开过程主要有两种类型：（1）机械臂的安装和倾斜；（2）自动自动关闭设备。全自动液压翻转设备由翻转架、液压系统以及电控系统3部分组成,该设备具备以下优点:(1)翻转过程是连续运动,因此模具抖动小,能更好地保证模具精度和寿命,提高叶片生产的质量;(2)安全程度高;(3)翻转过程占有空间小,可降低生产厂房的高度,节约建设成本。本文针对翻转系统中的翻转架上的液压缸支点位置进行优化设计。1基于液压缩机的结构原理1.1扭转架两侧液压缸下铰点位置的分布翻转架是1个3铰点变幅翻转机构,3铰点布置结构形式通常有2种,一种如图1所示,分别布置在翻转架两侧的液压缸的下铰点处于重合位置,上铰点分开;另一种是两侧液压缸的上铰点处于重合位置,下铰点分开。本文以图1所示形式说明翻转的动作过程并进行液压缸支点位置的优化设计。1.2a、b液压缸顶升力分析根据翻转机构的结构特点,可知开合模过程有5个重要状态位置,模具的重心位置如图2中Ⅰ～Ⅴ所示。Ⅰ为翻转起始或结束位置;Ⅱ为B缸死点位置;Ⅲ为模具重心垂直位置;Ⅳ为A缸死点位置;Ⅴ为翻转结束或开始位置。以开模过程为例,从平衡叶片模具在翻转过程中对回转中心所形成的力矩的角度,说明A、B液压缸的动作过程以及受力情况。状态位置Ⅰ～Ⅱ:A、B液压缸同时伸长,A、B液压缸都产生顶升力;状态位置Ⅱ～Ⅲ:A缸继续伸长,B缸回收,A缸产生顶升力,B缸不产生顶升力;状态位置Ⅲ～Ⅳ:A缸继续伸长,B缸继续回收,A缸不产生顶升力,B缸产生顶升力;状态位置Ⅳ～Ⅴ:A缸回收,B缸继续回收,A、B液压缸都产生顶升力。合模过程可作类似的分析。2旋转过程的调节和控制液压缸推力的合理选择,对液压缸结构设计及液压系统相关元件均存在较大的影响。液压缸的推力计算一方面要满足翻转过程运动学的要求,另一方面与液压系统的结构特点密切相关。翻转机构的液压系统原理见图3。为了使上模翻转平稳,理想情况是在整个翻转过程中使翻转架的角速度恒定,但这样对液压系统的控制要求较高,难以做到。图3液压系统考虑使用输出流量较小的定量泵,尽管翻转架的角速度不能保持匀速,翻转过程有角加速度,而且2个变幅液压缸活塞杆的相对移动速度也不恒定,但由于整体翻转角速度较小,因此冲击较小,翻转平稳安全。在不计转动副摩擦和系统获得的运动惯性的情况下,可认为机构翻转过程为静力平衡状态,液压缸的推力全部用于克服反力矩。液压系统中液控限速平衡阀4的主要功能:(1)当叶片模具的上模在旋转过程中,其重心越过状态位置Ⅲ后依靠其自重下落时产生阻尼;(2)超速自动调节功能,使整个旋转过程平稳,这个阶段不需要系统压力的参与。因此在计算液压缸推力时,对于开模过程,只需计算Ⅰ～Ⅲ区间,合模过程,只需计算Ⅴ～Ⅲ区间。根据上述的分析,将机构简化为图4所示的结构。设模具重力为G,重心的回转半径为R,液压缸上支点翻转半径为r,液压缸A力臂为La,液压缸B力臂为Lb,翻转角为β,液压缸推力为F,其他参数如图4所示。可得开模过程的力矩平衡方程⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪F(La+Lb)=GR(cos(p/2−α3+β))0≤β≤p−α4−α2FLa=GR(cos(p/2−α3+β))p−α4−α2≤β≤α3F=0α3≤β≤p{F(La+Lb)=GR(cos(p/2-α3+β))0≤β≤p-α4-α2FLa=GR(cos(p/2-α3+β))p-α4-α2≤β≤α3F=0α3≤β≤p(1)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪La={[−rcos(α1+β)−(−Lh)]2+[rsin(α1+β)−(−Lv)]2}1/2Lb={[−rcos(α2+β)−(−Lh)]2+[rsin(α2+β)−(−Lv)]2}1/2{La={[-rcos(α1+β)-(-Lh)]2+[rsin(α1+β)-(-Lv)]2}1/2Lb={[-rcos(α2+β)-(-Lh)]2+[rsin(α2+β)-(-Lv)]2}1/2(2)合模过程力矩平衡方程⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪F(La+Lb)=WR(cos(α3−p/2+β))0≤β≤α4+α1FLb=WR(cos(α3−p/2+β))α4+α1≤β≤p−α3F=0p−α3≤β≤p{F(La+Lb)=WR(cos(α3-p/2+β))0≤β≤α4+α1FLb=WR(cos(α3-p/2+β))α4+α1≤β≤p-α3F=0p-α3≤β≤p(3)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪La={[rcos(−α1+β)−(−Lh)]2+[rsin(−α1+β)−(−Lv)]2}1/2Lb={[rcos(−α2+β)−(−Lh)]2+[rsin(−α2+β)−(−Lv)]2}1/2{La={[rcos(-α1+β)-(-Lh)]2+[rsin(-α1+β)-(-Lv)]2}1/2Lb={[rcos(-α2+β)-(-Lh)]2+[rsin(-α2+β)-(-Lv)]2}1/2(4)3液压炉固定位置设计液压翻转机构支点位置的设计除了要考虑满足结构上的要求,很重要的一点是要减小液压缸在翻转过程中的峰值推力,以减小系统的压力。3.1翻转机构的确定进行液压缸推力的计算首先要确定回转中心的位置,回转中心离地面的高度根据翻转的工艺要求确定,翻转架将上模从地面绕回转中心翻转180°后由装在下模上的模具支撑液压缸托住,然后下降100mm,使上下模贴合,因此,可确定回转中心离地面的高度h=(合模后的总高度+100mm)/2+上模一侧刚性支撑的高度。回转中心与模具重心的水平距离在满足翻转架的强度要求的前提下,应使整个结构紧凑,以节省成本。根据图1液压翻转机构的结构形式,翻转架由A、B液压缸的活塞杆通过其下支点作用在翻转架底座上,使翻转架绕回转中心作翻转运动,因此,可简化为一边固定在2个铰接支座上的静定悬臂变截面梁,在翻转过程中,受压力和弯矩的作用,而在开合模的起始位置状态,受力最不利,翻转架的危险截面在与上模连接的下销轴处。按压缩与弯曲的综合作用进行强度验算。设翻转架板厚为a,危险截面处的宽度为b,模具重心至连接耳座中心的距离为c,截面的最大应力σmax=MmaxW+PS=PLW+PS≤[σ]σmax=ΜmaxW+ΡS=ΡLW+ΡS≤[σ](5)式中L——重力中心距,L=c+b/2W——抗弯截面模量,W=ab2/6S——危险截面面积,S=ab翻转架材质为Q235,屈服强度为240MPa,安全系数n=2,许用应力120MPa,翻转架板厚30mm,将相关数据代入式(5),计算得b≥394mm,考虑液压缸安装所造成的翻转架有效横截面积的减小,可确定回转中心与上模连接销轴的水平距离为550mm。当回转中心的位置确定后,R和α3也就确定了。受结构安装要求限制,取液压缸上支点翻转半径r=430mm,下面针对α1、α2、Lv、LH的不同组合进行优化设计。3.2翻转过程中的推力初次选用的设计数据为G=20000kg,R=2450mm,r=430mm,Lv=1350mm,Lh=240mm,α1=4°,α2=50°,α3=76.5°,根据式(1)～(4),计算可得在翻转过程中液压缸推力的变化情况,如图5所示。从图5可以看出开模过程液压缸最大推力为436.4kN,合模过程液压缸最大推力346.2kN,系统压力和液压缸内径按照峰值推力436.4kN设计。3.3b液压缸动态特性图6为基于Matlab的液压缸支点位置的优化设计主程序框图。在编写Matlab支点位置优化计算程序时,主程序框图中的相关变量、向量初始化需确定α1、α2、Lv、LH的变化范围,α1需充分小,而且α1和α2需保证较大的差值,在开模过程(如图3中Ⅰ～Ⅲ),A液压缸始终是主动缸,需保证较大的力臂长度,而在合模过程(如图3中Ⅴ～Ⅲ),B液压缸始终是主动缸,需保证较大的力臂长度。Lv的长度变化范围要考虑翻转架底座的高度,LH的水平变化范围要考虑离翻转架底座销轴孔有一定的距离,以避免运动干涉。最后确定:α1为1°～5°,α2为47°～51°,Lv为1300mm～1400mm,LH为30mm～300mm。角度的间隔取1°,距离的间隔取10mm,得到的优化结果:α1=2°,α2=47°,Lv=1390mm,Lh=270mm。根据以上优化的参数值,得到如图7所示的液压缸推力变化曲线。由图7可知,对于开模过程,在上模翻转54°即B液压缸正好到死点位置时A液压缸达到最大推力380.4kN;合模过程,在上模翻转81°即A液压缸正好到死点位置时B液压缸达到最大推力,液压