矿用液压缩管机模具优化设计

文章编号:1002-6886(2007)03-0022-03矿用液压缩管机模具优化设计梁宝英(太原理工大学,山西 太原 030000)作者简介:梁宝英(1965 ),女,大学本科,在山西大同大学从事机械设计教学和科研工作,目前在太原理工大学攻读在职硕士学位,发表论文10余篇,出版了4本教材。

收稿日期:2006-10-30摘要:本文简要介绍了液压缩管机主机结构及工作原理,以及模具优化设计过程中结构的简化,建立了优化设计的数学模型,并对实例进行了分析计算。

关键词:缩管机 模具 优化设计 优化方法Opti mu m D esi gn ofM i ne Hydraulic P ipe R eductionM achi ne D ieLI ANG Bao y i ngAbstract :The articl e i ntroduces sm i p l y mai n frame structure and operati ng princi p le of hydrau lic p i pe reducti on m ach i ne andstructural sm i p licit y duri ng the desi gn of d i e,and bu il dsm at he m aticalm odel of optm i um desi gn,and proceeds analytical calcu la ti ons f or exa m ples .Key words :p i pe reducti on m ach i ne ;die ;optm i um desi gn ;optm i u m m ethod1 缩管机的用途、工作原理及结构特征1.1缩管机结构及工作原理液压缩管机是用于金属编织液压胶管与金属接头联接过程中实施压接加工工艺的一种装置,在各类工程液压机械的生产制造和使用维护中应用广泛。

目前,由于没有国家统一的定型产品,我们在同煤集团公司自行设计和研制了结构简单、操作方便、使用效果较好的液压缩管机,其主机结构如图1所示。

缩管机的整机结构为一个液压站,主机为一特制的液压缸,如图1所示。

锥套9和活塞杆2用螺纹联接为一体;模具10和导向杆3用螺母7与后端盖5联接为一体。

工作时,液压系统的高压液体从A 口进入活塞腔,推动活塞杆向外伸出,通过锥套9的内锥面压迫模具的外锥面,使模具弹性径向收缩,压缩金属接头并使其产生一定量的径向塑性变形,达到金属接头与液压胶管相连接的目的。

反向由B 口供液时,活塞杆回缩,锥套解除对模具的压缩,模具弹性恢复,完成接头的一个压接循环。

1.2模具结构特征模具是缩管机中最主要的零件之一,也是缩管机设计的核心零件。

现有模具的结构设计,大多是采用传统的经验设计方法进行的,即以满足实际工况要求为目进行的结构设计,然后根据现场实际工作条件进行试验和测试,再进行设计修改,如图2所示。

从图中可以看出,模具的结构比较复杂,其左部l 长度上为一空心圆锥体和圆柱体过渡连接结构,且沿轴向等分12份(以下将每等份称为1瓣),切槽宽度为e ,切槽根部加工有直径为d 0的消除应力集中孔;右端h 长度上为一内螺纹圆柱体结构。

2 模具优化设计条件分析为了提高设计质量,我们尝试应用机械优化设计的方法进行模具的结构设计,使模具的结构和性能趋于最佳。

下面,首先对优化设计所涉及到的若干方面的因素进行分析。

2.1模具结构简化为了使数学模型趋于简单明了且便于计算,我们可以将其结构进行适当的合理简化,以减少优化设计变量的数22 现代机械 2007年第3期量,简化后见图3所示。

1)首先对图2中长度为h 2的圆锥体和长度为l -h 2的圆柱体的结构进行简化,简化后结构如图3(a)所示,即在l 的总长度上看作一个当量圆柱体,其外径为D,内径为d;2)其次,简化为当量圆柱体后,仍然按原等份数量12份进行等分,相邻各瓣之间的间隙为e ;3)第三,将简化后的每一瓣看作一个独立的悬臂梁,悬臂长度为l ,即左端面至消除应力集中孔中心线AB 的距离,如图3(b)所示;其横截面参见图3(b)所示。

4)由于模具结构上的等分,与导向杆螺纹联接的圆柱体结构部位可不作为优化设计的对象。

与锥体结构部分的尺寸一样,待设计计算求得最优解后再进行确定。

2.2模具受力特性分析1)模具压接金属接头时,每瓣受锥套的作用力是沿着锥面的均布载荷q d ,参见图4。

内孔受金属接头的阻力q z 。

当锥度较小时,合力Q 的垂直分力F y 远大于水平分力F x 。

2)其次,为了简化计算,当锥度较小时(此设计中锥度C 0=1!8),正常工作过程中作用于模具上的载荷近似看作水平载荷,其合力为均布载荷q (x ),见图5(a)所示。

3)从受力状态分析可以看出,每瓣均可看作一个处于均布载荷q (x )作用下的悬臂梁。

所以,设计时需要考虑模具的抗弯强度,如图5(a)所示。

同时,考虑模具的径向压缩量 必须小于模具各瓣的最大弯曲挠度。

4)模具不断被压缩的过程中,各瓣之间的间隙e 逐渐减小且趋向于0。

当e =0或者被压缩的金属接头达到极限压缩状态时,模具的受力会完全处于被拉伸的状态,这时需要考虑模具的抗拉强度。

3 建立数学模型通过上述分析可知,在模具优化设计中,有两个重要的因素需要考虑:一是模具的抗拉强度,应使模具在受到液压缸作用的最大拉力下不至于损坏;二是左端在受力状态下的最大弯曲挠度不超过允许挠度值。

因而,可以得出如下结论:建立数学模型应以选取零件的质量最小为目标,以每瓣端面处的挠度和抗拉强度为约束条件∀。

3.1目标函数的确定当模具的材料选定后,其优化设计方案由五个设计变量所决定,即当量外径D 、当量内径d 、悬臂长度l 、切槽宽度e 和非均布载荷作用的悬臂长度s ,如图5(a)所示。

由于内径d 是由压接时金属接头的直径所决定的参数,s 是一个由载荷布置决定的参数,都不作为优化设计时的变量,所以设计变量取为:x =[x 1 x 2 x 3]T =[D l e]T模具优化设计的目标函数为#:f (x )=l4 x 2 (x 1-d )x 1-2 x 3+d 式中: 材料的密度。

3.2约束条件确定1)模具的刚度是一个重要的性能指标,在工作过程中,应使每瓣端部的最大挠度y 不超过规定值y 0,据此可建立性能约束条件:g 1(x )=y -y 0∃0式中:y 0 接头的径向最大压缩量,即模具的径向收缩量。

它是一个与金属接头材料性能、接头压接量大小有关的参数。

在此设计中,根据有关技术标准给定y 0的值。

如图3(b)所示,在载荷q (x )给定的情况下,挠度y 是设计变量x 的函数,其值的大小可以按照下面的挠曲线方程计算:y =(3l 4-4s 4)-3(l -s )424EIq又:I =0.008(D 4-d 4)-23.319(D 3-d 3)2(D 2-d 2)代入后,得:y =5.208q (D 2-d 2)[(3l 4-4s 4)-3(l -s)4]E [(D 4-d 4)(D 2-d 2)-2915(D 3-d 3)2]再代入设计变量,得:y =5.208q (x 21-d 2)[(3x 42-4s 4)-3(x 2-s)4]E [(x 41-d 4)(x 21-d 2)-2915(x 21-d 3)2]式中:I 截面相对于x 轴的惯性矩,如图3(c)所示,其中o 为形心位置;E 表示模具材料的弹性模量。

2)其次,考虑模具的强度,即在承受最大外力作用下,应满足拉伸状态下的应力要求:g 2(x )=!-[!]∃0在轴向外力F e 作用下,!是设计变量x 的函数,其值23 设计 研究 分析的大小可以用下式计算:(拉伸强度条件)!=F e12Ae =48Fe[ (D+d)-48e](D-d)式中:Fe模具所受到的最大拉力,即液压缸的最大推力;Ae每瓣的横截面积;[!] 材料的许用应力。

即:!=48Fe[ (x1+d)-48x3](x1-d)3.3边界约束条件确定设计变量的取值范围#即为边界约束条件为:Dm in ∃D∃Dm axlm in∃l∃lm axem i n∃e∃ema x3.4数学模型通过上述分析,将所有的约束函数规格化,缩管机模具优化设计的数学模型可表示为:m i n f(x)=14x2(x1-d)x1-2x3+ds t g1(x)=5.208q(x21-d2)[(3x42-4s4)-3(x2-s)4]E[(x41-d4)(x21-d2)-2915(x21-d3)2]/y-1∃0g 2(x)=48Fe[ (x1+d)-48x3](x1-d)[!]-1∃0g 3(x)=x1/Dm ax-1∃0 g4(x)=1-x1/Dm in∃0g 5(x)=1-x2/l m in∃0 g6(x)=x2/l m ax-1∃0g 7(x)=1-x3/e m in∃0 g8(x)=x3/e m ax-1∃04 设计计算设计中,代入d=80mm,油缸推力Fe=650000N,外力径向弯曲挠度y=3mm。

设计变量n=3,约束函数个数m=8,收敛精度∀1=10-6,∀2=10-6,初始惩罚因子r=2,惩罚因子缩减系数c=0.2。

设计变量的初值、上下限等各值列于表中。

计算初始数据表设计变量X1X2X3初始值1003002.5下限值852201.5上限值1805005用内点惩罚函数法∀求解,经迭代和计算收敛,求得最优解:x*=[116.08 246.78 4.24]Tf(x*)=10.54再将当量尺寸进行还原来设计模具结构。

5 结论1)在此优化设计中,为了减少设计变量的数量,简化目标函数,使计算过程简捷,将模具的结构进行了调整,计算所得的参数D和d为最佳参数配置,但考虑模具结构中锥体部分和螺纹部分的尺寸设计时,需要进行当量反算。

最终设计的模具重量比原来减少了19.8%。

2)通过优化设计,在模具设计修改中,将原锥体部分的内孔改为锥孔,即内径d1改为外端面直径大,内端面直径小,以达到在h1长度上挠度不等而接头径向塑性变形量相同的要求。

3)模具等份结构部分l的取值范围不能小于计算值,以确保模具在弹性变形的范围内工作。

e的取值在最大和最小值之间取偏大值。

优化设计后,e=4mm,比原来增加1mm。

4)模具优化设计后,零件的使用特性有了明显的变化,等分后的每瓣的断裂现象大幅度减少,压接质量也得以保证。

5)应用优化设计方法进行模具设计采用了当量直径的结构简化法进行分析,因而仍然是一种近似的计算方法,但毕竟要比经验设计的方法精确得很多,而仅靠材料力学的方法是难以作到的。

欲使其结果更加精确,需要采用有限元法进行设计,甚至是多次地进行有限元分析。