基于ANSYS的液压钳制器工况数值模拟.pdf

研究与开发 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 4 ． t 2 ． 0 4 4 基于 A N S Y S 的液压钳制器工况数值模拟 毛璐瑶，曾令富，梁澜之 ，曾筱瑚 ，陈启愉 广东省工业技术研究院 广州有色金属研究院机电工程研究所 ，广东广州 5 1 0 6 5 1 摘要利用仿真分析软件H y p e r m e s h 和A N S Y S 对某新型常闭液压钳制器进行有限元仿真，分析其受力情况。通过仿真分析 ， 发 现支点长柱长度太短，长柱两端应力集中非常严重，延长支点长柱的长度能够有效改善应力集中的情况。同时通过仿真获得了 常闭液压钳制器预紧力与钳制力的关系曲线 ， 及预紧力为3 5 4 1 6 N 时液压与钳制力的关系曲线 ， 获得满足要求的钳制器维持开 闭状态所需螺栓预紧力和液压的大小，为钳制器的研制提供依据。 关键词钳制器；螺栓；预紧力；液压； 仿真 中图分类号 T P 3 9 1 ．7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 4 1 2 0 1 7 2 0 4 Th e Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f Hy d r a u l i c Cl a mp i n g De v i c e Ba s e d o n ANS YS MA O L u - y a o ，Z E N G L i n g - f u ，L I A N G L a n - z h i ，Z E N G X i a o h u ，C HE N Q i - y u G u a n g d o n g Ge n e r a l I n s t i t u t e o f I n d u s t r i a l T e c h n o l o g y Gu a n g z h o u Re s e a r c h I n s t i t u t e o f No n F e o u s Me t a 1 ， G u a n g z h o u 5 l 0 6 5 l ，C h i n a Abs t r a c t F i n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n i s b e e n u s e d o n s t r e s s a n s y s i s o f a n e w c l o s e d h y d r a u l i c c l a mp i n g d e v i c e ． I t i s s h o wn t h a t t h e l o n g s u p p o si ng c o l u mn i s t o o s h o r t t h a t t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n h a s o c c u r r e d i n b o t h e nd s o f t h e c o l u mn． To i mp r o v e t h i s p e r f o r ma n c e t h e l e n g t h e n i n g o f t h e c o l u mn h a s b e e n a p p l i e d． T h e r e l a t i o n c u r v e o f p r e t i g h t e n i n g f o r c e a g a i n s t c l a mp i n g f o r c e a n d t h e c u r v e o f h y d r a u l i e a g a i n s t c l a mp i n g f o r c e a t 3 5 41 6 N p r e t i g h t e n i n g f o r c e c a n b e o b t a i n t h r o u g h s i mu l a t i o n ．T h e r e f o r e t h e r e q u i r e d p r e t i g h t e n i n g f o r c e a n d t h e h y d r a u l i c f o r k e e p i n g t h e d e v i c e c l o s e d c a n b e d e riv e d ． Ke y wo r d s c l a mp i n g d e v i c e； b o l t ；p r e - t i g h t e n i n g；h y d r a u l i c p r e s s u r e； s i mu l a t i o n 0 引言 在机床运行过程中可能会遇到突然断 电的情 况，此时机床的限位器无法工作，为防止机床运 动台高速撞向机床床身，需要利用钳制器对其进 行紧急制动 。液压常闭型钳制器常被用 于机床制 动领域。目前，国产液压钳制器较少，主要是德 国与 日本 的产品。笔者单位 与企业联合研发液压 常闭型钳制器 ，通过螺栓预紧力及液压压力来实 现钳制器的开闭状态。本文利用有限元软件A N S Y S 对某款液压钳制器进行仿真，获得该液压钳 制器所需 的螺栓预紧力 和液压的大小 ，并校核钳 制器的强度，为钳制器的研制提供依据。 1 液压钳制器的工作原理 液压常 闭钳制器利用螺栓预紧力和液压压力 实现钳制器的开和关，其原理如图1 所示。 某款常闭液压钳制器结构如 图 1 所示 ，在断 电或者关闭机器时 ，液压缸断 电失压 ，钳制器在 螺栓 预紧力的作用下夹紧导轨 ，实现关 闭状态 。 当机器正常工作时，液压缸产生的油压推动活塞 2 ，带动翘板 3以支点长柱 7 为支点 ，通过杠杆原 理撑开钳制臂4 ，从而使钳制器松开导轨。 2 液压钳制器的理论计算 在进行理论计算时，将钳制臂视为刚体。钳 制器与导轨的摩擦力需要达到9 0 0 0 N 才能达到钳 制器 的制动要求 ，根据查表可知 ，导轨与钳制器 刹车片的摩擦系数为0 ． 1 。因此 ，为保证足够的制 动力 ，需要提供 9 0 k N的钳制力 。钳制器杠杆的 尺寸如图2 所示。 广东 省科技计划项 目 编号 2 0 1 2 B 0 9 1 0 0 0 0 7 8 收 稿 日 期 。 圈 江 I 毛璐瑶 等基于A N S Y S 的液压钳制器工况数值模拟 研究与开 2 螺栓预紧力与钳制力的关系 螺栓预紧力与钳制力的关系如图6 所示。 图 6 钳 制力 与预紧力的关系 由图6可以看 出 ，钳制力 的大小与预紧力 的 大小是呈线性 的 ，当预紧力 的大小大于 3 1 0 0 0 N 的时候 ，满足钳制力大于9 0 0 0 0 N的制动要求 ， 较理论值要稍小。在实际生产中，为了确保钳制 器的安全可靠，螺栓预紧力可以取的稍微大一点。 3 钳制器液压与钳制力的关系 机床在工作时，需要液压缸提供液压力撑开 钳制器 。液压力过小导致使钳制器无法张开 ，液 压力过大则会 损害钳制器螺栓及其他结构件 ，而 且会提高运行成本 ，因此获得合适 的液压大小对 于一款安全可靠、经济实用的钳制器显得尤为重 要。取拧紧系数K 0 ．2 ，则预紧力 3 5 4 1 6 N ，在 该预紧力作用下 ，施加液压。液压与钳制力的大 小关系如图7 所示 。 Z ＼ 氍 图7 液压与钳制力的关系 由图 7可 以看 出 ，在钳 制器松 开 的过 程 中 ， 液压与钳制力 的大小是呈线性关系 ，随着液压 的 增大钳制器的钳制力逐渐减小。由图7 曲线的斜 率可以看出，当液压在 l 1 M P a 至1 2 M P a 之间时， 钳制力就已经降为0 。当液压为大于 1 2 M P a 时， 钳 制力 为 0 ，钳 制器 松 开 。 因此 ，在预 紧力 为 3 5 4 1 6 N时 ，钳 制器 的液压 为 1 2 MP a 可 以满 足 松开要求 。 5 结束语 一 款高精度液压常闭钳制器对零部件的加工 装配精度及强度要求很高。本文通过数值模拟方 式发现液压 常闭钳制器支点长柱设 计的太短 ，导 致结构应力集 中比较严重 ，通过延 长支点长柱 长 度方式能够显著地改善 支点长柱两端 的应力集 中 情况 。同时预紧螺栓需要选择强度较高 的材 料 ， 避免在螺纹连接处应力集中。 对于本文中的液压常闭钳制器 ，通过计算获 得了预紧力与钳制力 的关 系曲线以及预紧力 F 3 5 4 1 6 N时的液压与钳制力 的关系曲线。该钳制器螺 栓预紧力大于3 1 0 0 0 N 可满足9 0 0 0 N制动力的制 动要求，在钳制力为3 5 4 1 6 N时，需要 1 2 M P a 以 上的液压可以使钳制器松开导轨 。 通过对液压常闭钳制器 的有限元仿真 ，可 以 有效地改进产品的设计 ，增加产品的精度和使用 寿命，减小产品的使用成本。 参考文献 [ 1 ]王轩，杨家军，刘文威． 液压钳制器的螺栓力学分析 [ J ]． 湖北工业大学学报，2 0 1 4 0 1 8 4 8 6 ， [ 2 ]刘鸿文． 材料力学第四版 [ M]．北京高等教育出 版 社 ，2 0 0 4 ． [ 3 ]宋冰昕． 2 0 C r 钢与Z G 2 5 Mn N i 钢焊接接头组织与性能 研究 [ D]． 大连大连交通大学，2 0 0 8 ． [ 4 ]贺李平 ，龙凯 ， 肖介平． A N S Y S 1 3 ． 0与 H y p e r me s h 1 1 ． 0 联合仿真有限元分析 [ M]． 北京机械工业出版 社 。2 0 1 2 ． [ 5 ]钱俊梅，江晓红，仲小冬 ，等． 浅谈基于A N S Y S 软件 的接 触 分析 问题[ J ]． 煤 矿 机 械 ，2 0 0 6 0 7 6 2 6 4 ． [ 6 ]李会勋，胡迎春，张建中． 利用AN S Y S 模拟螺栓预紧 力的研 究 [ J ]． 山东科技 大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 6 O 1 5 7 5 9 ． [ 7 ]郑战光 ，蔡敢为，李兆军． 含螺栓预紧力的汽车钢圈 强度 分析[ J ]． 机 械 设 计 与 制 造 ，2 0 0 9 0 8 2 1 9 - 2 2 0 ． 第一作者简介 毛璐瑶 ，男 ，1 9 9 0 年生，江西鹰潭人，硕 士，工程师。研究领域 机械装备及功能部件可靠性数值 模拟及优化。 编辑 王智圣