二板式挤压成型机用短行程油缸设计及结构优化

第３５卷第４期　南昌大学学报（工科版）　Ｖ０１．３５　Ｎｏ．４　２０１３年１２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ｄｅｃ．２０１３　文章编号：１００６—０４５６（２０１３）０４—０３５８—０５　二板式挤压成型机用短行程油缸设计及结构优化　尹建峰　，叶寒　，刘旭波　，杨湘杰　（１．广东科达机电股份有限公司，广东佛山５２８３１３；２．南昌大学机电工程学院，江西南昌３３００３１）　摘要：针对自主研发的金属内腔挤压成型机，按传统油缸设计理论对短行程主油缸部件尺寸计算，并运用有限　元方法与理论计算进行验证和优化。与理论计算相比，短行程油缸外缸体的最大应力小２８％，最大变形小３４％，　内缸体的最大应力小１９％，最大变形小３５％。将高压液压油密闭在更短的行程内，油缸主密封尽可能接近油腔体　可有效减小油缸部件的应力应变，提高油缸的使用寿命。　关键词：主油缸；短行程；密封结构；内腔挤压成型机　中图分类号：ＴＧ３７５　文献标志码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｂｏａｒｄ　ｍｅｔａｌ　ｉｎｎｅｒ　ｃａｖｉｔｙ　ｓｑｕｅｅｚｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ＹＩＮ　Ｊｉａｎｆｅｎｇ　，ＹＥ　Ｈａｎ　，ＬＩＵ　Ｘｕｂｏ　，ＹＡＮＧ　Ｘｉａｎｇｊｉｅ　（１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　ＫＥＤＡ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ＣＯ．，ＬＴＤ．，Ｆｏｓｈａｎ　５２８３１３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ—ｓｔｒｏｋｅ　ｍａｉｎ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｏｍｅｍａｄｅ　ｍｅｔａｌ　ｉｎｎｅｒ　ｃａｖｉｔｙ　ｓｑｕｅｅｚｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗｅｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｆｏｒｍｕｌａ．Ｉｔ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ＦＥＭ．Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｖｏｎ　ｍｉｓｅｓ，ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｍａｘｉｍｕｍ　ｖｏｎ　ｍｉｓｅｓ，ａｎｄ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｏｒｔ　ｓｔｒｏｋｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｏｕｔｅｒ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｗａｓ　ｌｅｓｓ　２８％，３４％，１９％，ａｎｄ　３５％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｏｉｌ　ｗａｓ　ｓｅａｌｅｄ　ｉｎ　ａ　ｓｈｏｒｔｅｒ　ｓｔｒｏｋｅ，ｔｈｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｓｅａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔｒａｉｎ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｉｅｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｍａｉｎ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｓｈｏｒｔ－ｓｔｒｏｋｅ；ｓｅａｌｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｉｎｎｅｒ　ｃａｖｉｔｙ　ｓｑｕｅｅｚｅ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　广东科达机电股份有限公司与南昌大学¨　共　要求套装在大拉杆上，则主油缸的基本结构为含内　同研制的４　０００　ｔ挤压成型机主机结构为二板式结　缸体的油缸布局。　构，主油缸部件套装在大拉杆上，主油缸施加油压形　主油缸结构设计参数如下：主油缸合模力１　０００　成合模力。短行程主油缸是主机的关键部件，其设　ｔ，为单动短行程油缸，油缸行程４０　ｍｍ。外缸体及内　计直接影响主机的工作性能和使用寿命。但传统计　缸体材料为３５ＣｒＭｏ，抗拉强度ｏｒ　＝１　０００　ＭＰａ，屈　算方法并没有短行程油缸的理论公式　，故有必要　服强度ｏｒ　＝８５０　ＭＰａ，弹性模量Ｅ＝２０６　ＧＰａ，泊松　通过有限元方法来重新核算油缸体的壁厚以及应力　比　＝０．３；套装在大拉杆上的内缸体内径为４２０　变形等。本文介绍４　０００　ｔ挤压成型机主油缸的结　ｍｍ，主油缸公称油压３０　ＭＰａ。　构设计，并运用有限元方法对主油缸进行优化设计。　按照传统油缸设计方法，初步取内缸体壁厚为　１主油缸的结构设计　５０　ｍｍ，则外缸体内径为：　根据主机结构要求，共４个主油缸，每个主油缸　Ｄ＝　收稿日期：２０１３—０６—０３。　基金项目：广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目（２０１１Ａ０１０８０２００５）；国家自然科学基金资助项目（５１２６１０１９）；江西　省自然科学基金资助项目（２０１２２ＢＡＢ２０６０２２）。　作者简介：尹建峰（１９８０一），男，工程师；通信作者：杨湘杰（１９６０一），男，教授，博士生导师，ｙａｎ￣ｊ＠ｎｃｕ．ｅｄｕ．ｅｎ。　引文格式：尹建峰，叶寒，刘旭波，等．二板式挤压成型机用短行程油缸设计及结构优化［Ｊ］．雨昌大学学报：工科版，２０１３，　３５（４）：３５８—３６２，３９１．　第４期　尹建峰，等：二板式挤压成型机用短行程油缸设计及结构优化　式中：Ｄ为外缸体内径；Ｆ为主油缸合模力，其值为　１　０００　ｔ；Ｐ为公称油压，其值为３０　ＭＰａ；ｄ为内缸体　外径，其值为５２０　ｍｍ。　将数值代人式（１），得Ｄ＝８３３．７　ｍｍ，取整为　８４０　ｍｍ，反算油缸压力为：　一７ｒ（　＿２９．３　ＭＰａ　Ｄ　一　ｄ）一　“　外缸体壁厚按常规油缸计算为：　６≥最　㈩　式中：　为缸体壁厚；Ｐ　为缸体最高工作压力，其值　为工作压力的１．５倍；Ｄ为外缸体内径，其值为８４０　ｍｍ；　。为缸体材料许用应力。　将数值代人式（２），得６≥１１２．５　ｍｍ，取整为　１２０　ｍｍ。　缸体应力验算，外缸体壁厚系数５４０／４２０＝　１．２８５　７，按厚壁管理论及第四强度理论核算　］，有　以下理论公式。　径向应力：　一　蕊　卜　）　【ｊ　（３）　切向应力：　一ｒ　　¨　）　Ｌ４　（４）　轴向应力：　一　（５）　合应力：　Ｏ＇√———————　／（　１一Ｏｒ２）　＋（　２一　３）—————一　＋（　３一　１）　ｖｏｎ　　（６）　式（３）一式（６）中：盯　盯　、　分别为半径为Ｒ处的　径向应力、切向应力和轴向应力；ｐ为油压，其值为　２９．３　ＭＰａ；Ｒ。为外缸体内径，其值为４２０　ｍｍ；　为　外缸体外径，其值为５４０　ｍｍ；ｒｏ　。　、Ｏｒ　Ｏｒｒ、　ｚ分别为　合应力、第一、二、三主应力。　危险点在内壁上（Ｒ＝Ｒ　），代入以上公式得　ｒＯｌ＝　ｒ＝１１９　ＭＰａ，　２＝Ｏｒｚ＝４４．８６５　ＭＰａ，　３＝Ｏｒｒ＝一２９．３　ＭＰａ，Ｏｒ　。　＝１２８．４３　ＭＰａ　内缸体壁厚系数２６０／２１０＝１．２３８，按厚壁管理　论及第四强度理论核算，有以下理论公式。　径向应力：　ｒ　一一　岛（ｒ，一ｒ１　Ｌ　１一－ｌ一　；ｒ５　－　）　（Ｌ　Ｊ７／　）　切向应力：　ｔ　一：一　——　≠　（１＋＋　）　　（８）６　　ｌ　２一ｌ　１　ｌ　轴向应力：　：一≠　ｒ２一ｒｌ　（９）　式（７）～式（９）中：　、　、Ｏｒ　分别为半径为ｒ处的径　向应力、切向应力和轴向应力；ｐ为油压，其值为　２９．３ＭＰａ；ｒ，为内缸体内径，其值为２１０　ｍｍ；ｒ：为内　缸体外径，其值为２６０　ｎｌｍ。　危险点在内壁上（ｒ＝ｒ　），代入以上公式得　ｒＯ１＝　，＝０　ＭＰａ，盯２＝Ｏｒｚ＝一８４．２８　ＭＰａ，　３　＝　＝一１６８．５７　ＭＰａ，　。　＝１４５．９８　ＭＰａ。　按照以上传统油缸计算方法以及主机结构要求　设计出主油缸部件，结构如图１、图２所示。　１．油缸底盖；２．外缸体；３．卡环；４．主活塞；　５．主螺母；６．卡块；７．内缸体。　图１　主油缸结构　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　Ａ　Ｂ　８、９、１４、１５．静密封；１０、１１、１６．导向带；１２、１３、１７、１８．主密封。　图２油缸密封结构　Ｆｉｇ．２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｓｅａｌｓ　２　主油缸壁厚的有限元验证　以上油缸壁厚计算方法及最大应力核算均为　常规计算方法，及考虑油缸为全行程油缸时内壁的　第４期　杨忠选，等：映射列一致收敛与敏感依赖性　・３９１・　（上接第３６２页）　中国，２０１１２０１２８３３０［Ｐｊ．２０１２—０１—１１．　［６］　南昌大学．低温剪切流变压铸工艺：中国，　参考文献：　［１］　广东科达机电股份有限公司．一种金属挤压成型机：　２００７１００５３６４２［Ｐ］．２００８—０３—２６．　［７］　蔡卫华，杨湘杰，郭洪民，等．斜管法流变制浆设备工　艺参数的研究［Ｊ］．南昌大学学报：工科版，２００３，２５　（３）：１３—１７．　中国，２０１０２０５７０２７９［Ｐ］．２０１１—０１—２６．　［２］　广东科达机电股份有限公司．金属挤压机的主回油阀　与泵站电机联锁控制装置：中国，２０１１２０１２７９０１［Ｐ］．　２０１ｌ—ｌ１—０９．　［８］郭洪民，杨湘杰，胡斌．转动输送管制浆工艺参数对　Ａ３５６合金半固态组织的影响［Ｊ］．中国有色金属学　报，２００４，１４（１２）：２０４９—２０５４．　［９］　车敏，杨湘杰．斜管法流变制浆工艺的虚拟制造［Ｊ］．　铸造，２０ｏ４，５３（２）：１１４—１１５．　［３］　广东科达机电股份有限公司．二板机用动模板平移及　安全结构：中国，２０１２２０００６２６１［Ｐ］．２０１１—０９—１２．　［４］　广东科达机电股份有限公司．一种熔铝炉漏铝安全装　置：中国，２０１１２０５６５８３０［Ｐ］．２０１２—０９—１２．　［１０］雷天觉．新编液压工程手册［Ｍ］．北京：北京理工大学　出版杜，１９９８：１３５６—１４０５　［５］　广东科达机电股份有限公司．新型脱模剂喷涂装置：　（上接第３８４页）　［７］　李翔硕，王淳．基于生物地理学优化算法的输电网络　规划［Ｊ］．电网技术，２０１３，３７（２）：４７７—４８１．　［８］　李静文，赵晋泉，张勇．基于改进差分进化生物地理学　优化算法的最优潮流问题［Ｊ］．电网技术，２０１２，３６　（９）：１１５—１１９．　［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１３—０５—２５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｅ．ｗａｓｈｉｎｇ－　ｔｏｎ．ｅｄｕ／ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｐｓｔｃａ．　［１２］玄光男，程润伟．遗传算法与工程优化［Ｍ］．于歆杰，　周根贵，译．北京：清华大学出版社，２００４．　［１３］梁才浩，钟志勇，黄杰波，等．一种改进的进化规划方　法及其在电力系统无功优化中的应用［Ｊ］．电网技术，　２００６，３０（４）：１６—２０．　『１４］ＺＩＭＭＥＲＭＡＮ　Ｒ　Ｄ，ＭＵＲＩＬＬＯ．ＳＡ，ＮＣＨＥＺ　Ｃ　Ｅ，ＴＨＯＭＡＳ　Ｒ　Ｊ．ＭＡＴＰＯＷＥＲ：ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ，ｐｌａｎｎｉｎｇ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｏｏｌｓ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　［９］　王存睿，王楠楠，段晓东，等．生物地理学优化算法综　述［Ｊ］．计算机科学，２０１０，３７（７）：３４—３７．　［１Ｏ］马海平，李雪，林升东．生物地理学优化算法的迁移率　模型分析［Ｊ］．东南大学学报：自然科学版，２００９，３９　（增刊）：１６—２１．　［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０１１，２６（１）：　】２一】９．　［１　１］Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ．Ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｅｓｔ　ｅａｓｅ　ａｒｃｈｉｖｅ