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類型：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，可以劃分為沖壓、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借助滑塊實現的，常為油缸驅動滑塊或者固定于滑塊上的模具。對于框架式液壓機而言，其滑塊基本均與主缸活塞桿剛性連接，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，油缸固定在上橫梁上，活塞、油缸孔因精準配合，因此難以調節。實踐中，導軌調整范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，在機架受力變形后，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于合理范圍。經調查發現，液壓機處于精沖、冷擠壓或大臺面薄板沖壓情況下，為了確保導向精度，提高抗偏載能力，需要采取相應的措施，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范圍在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，此方法可用于大噸位、小臺面液壓機，效果顯著；第二，滑塊導向尺寸加寬，上述方法的適應范圍小，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，并且要使其更為笨重。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性能，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鋼進行制造，并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，其優勢為便于調整，具有良好的精度保持性以及較高的抗偏心軸載荷能力，但缺點為結構過于復雜，并且整機外形偏大，此形式進可用于大臺面、大噸位的液壓機，并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，其主要適用于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型導軌后，避免了熱變形，防止了導軌間隙，并會產生內應力，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結構優化設計
結構優化設計主要是根據既有的設計參數，利用適合的優化方法求解出符合全部約束條件的設計變量，并使目標函數取最小或最大值。常見的優化方法有三種，分別為：第一，拓撲優化，主要是在已知的設計區域內，給定邊界、外載荷等條件，以此了解結構的最優材料分布；第二，尺寸優化，主要是在已知的結構類型前提下，調整設計區域結構構件的尺寸，以便于獲得最適合的尺寸；第三，性狀優化，主要是在已知的結構類型條件下，調整設計區域的邊界及性狀，從而了解最佳的邊界及性狀。近些年，結構優化問題得到了學者的高度關注，但關于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對象，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：工作壓力來自于三個工作缸，通過液壓缸傳遞壓力，并運動至滑塊；壓邊力源于壓邊缸，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持下，實現了單向拉伸。在使用液壓機時，應充分認識其機身動態性能，還應了解其滑塊的動態性能，主要是因滑塊直接連接著液壓缸及機身，二者連接剛度不牢固。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優化設計及計算是必要的。
2.2滑塊有限元分析
多于眾多問題而言，如果采用傳統的解析法求解，因假設過多而影響結果精度。在現今技術支持下，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，將其用于各類問題中，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系式，經組合以便于處理相應的場問題。有限元分析法常用于非線性分析以及較為復雜問題的求解，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件，對結構展開三維建模，通過有限元軟件及三維造型軟件間的接口，在有限元軟件中導入三維實體，同時劃分網格、添加載荷及邊界條件等，此后將獲得結構應變力變位移云圖，結合模擬結構，可對研究對象進行結構優化。關于滑塊的有限元分析：第一步便是構建滑塊有限元模型，研究中可采用不同的方法進行構造，如：三維CAD軟件，建立滑塊三維模型，將其導入到ANSYS，建立數值模型，在建模過程中應盡可能地滿足滑塊的力學特征。有限元分析中最為關鍵的環節便是網格劃分，其中網格的類型、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，對結構特征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，選用的網格單元類型應合理，避免出現結構受力處于失真狀態。滑塊的網格類型可以選用四面體單元C3D4，對網絡尺寸進行細化處理，為了提高網格質量，應對其進行全面檢查與進一步優化。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。對于滑塊而言，其運動時受液壓缸影響，同時其固定點處于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采用蘭索斯法，經分析后，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，通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征，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后，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，如果未能給予合理優化與改進，加工精度將降低、模具使用時間縮短。
2.3優化算法
優化的對象主要有三個，分別為：第一，設計變量，其具有一定的`獨立性，又稱自變量，通常每個自變量均有著上限值與下限值，并對值的變化范圍進行了定義，最多情況下，自變量可有60個，其可同時處在ANSYS程序中，經優化后被設定，狀態變量，其為設計變量的函數，具有約束作用，通常其最多可達到100個，經程序優化后被設定；第二，目標函數，其為設計變量的函數，如果設計變量值發生改變，則目標函數值也會隨之改變，通常在程序優化中僅有一個目標函數被設定；第三，分析文件，其為命令流出文件，其處于整個分析過程中，體現在前處理、求解及后處理等各個方面。優化算法，在ANSYS中創建不同的優化算法：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：其為目標函數與狀態變量的逼近方法；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，二者均是向目標函數增加懲罰函數后，實現了約束與否問題的轉換。該方法可使用因變量對設計變量的偏導數，在重復過程中，梯度計算搜索方向受最大斜度法及梯度計算法影響，此外非約束問題可借助直線搜索法使其達到最小化，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索方向以及梯度計算。與第一種方法相比，后者的缺點明顯，即計算量多大，但經嚴格計算后可獲得精準的結果，少數情況下，精準的結果未必表示獲得了最佳解。具體的優化流程如下：在ANSYS中展開優化設計，優化計算時，對設計變量與狀態變量等設置約束條件，同時設置相應的目標函數、循環控制模型以及最優化方法等，此后結合假設條件構造目標函數，在此情況下便實現了問題的轉換，即：由約束優化問題轉變為非約束優化問題，再給予迭代計算。在搜索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，提出新的設計變量，此后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，并輸出結果。
2.4滑塊質量優化
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優化與改進。由于設計初期便確定了液壓機整體數據，因此設計過程中將已知的滑塊數據視為變量。經分析證實，滑塊質量改變主要受板位置及其厚度的影響，而其也受滑塊力學性能及動態性能影響。關于滑塊的數學模型，第一，目標函數，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，因此在體積處于最小值的情況下，目標質量為最小值，在此情況下，優化時僅關注最小體積即可；第二，設計變量，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，設計變量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量，初始值均為30、下限值均為20、上限值均為65；第三，狀態變量，其為設計變量函數，又稱因變量，對于任何液壓機而言，其構造確定均應滿足結構設計基本要求，即復合材料強度、剛度等需求，狀態變量應選取滑塊的最大應變及最大應力，結合常規橫梁剛度可知，單位跨度撓度應低于0.2mm，滑塊寬度經液壓機既有參數可知，其為4.5m，在此基礎上，滑塊撓度應是0.9mm。經優化結果對比可知，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，與優化前對比，增長了約15.0%，同時整體應力分布較為均勻，此外Z方向的位移約5.0%。總之，經優化處理，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，重點探討了其優化設計及計算，通過有限元分析法及ANSYS軟件，構建了相應的模型，待優化后獲得了最小質量，同時其位移、應力等分布也更加規律與均勻。
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