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基于厚壁封头冲压成形装备的方案设计及主机结构分析

赵辉翔  
【摘要】:封头是锅炉和炼油、化工设备等受压容器上的重要组成件。封头按其形状可分为平底形封头、碟形封头、椭圆形封头及球形封头等。考虑到厚板成形的变形残余应力、变形抗力以及模具材料的选用等因素,所以多年来国内多采用热冲压成形,有时也采用冷压或温压成形。研究热冲压成形设备,将有效提高封头的生产质量和效率,从而提高压力容器制造效率和使用质量。本文在分析对比了不同的封头成形方法的基础上,根据用户的使用情况与实际工艺要求,提出了热冲压成形工艺方案和工艺过程图;然后综合大量国内外封头冲压成形压机资料,详细分析了多种主机结构形式,根据各种不同结构主机的优缺点,选定三梁四柱组合式预应力压机作为其主机结构;分析工艺动作,提出液压系统及控制要求;将液压系统按照功能分成主系统、辅助系统、供液循环系统、控制油系统四个部分:主系统完成主要工作油缸动作的控制和供油,辅助系统完成顶出器和移动工作台动作的控制,供液循环系统提供整个系统的油液过滤、循环和冷却功能,控制油系统提供所有比例阀、液控阀的控制油液。四个部分通过电气控制统一有机的组成了设备的整个液压控制系统。在完成原理方案后,推导工件成型尺寸与拉伸力和压边力的关系式,按照成形的最大工件为目标值,核算主要动作油缸提供的最大拉伸力和最大压边力;按照工艺确定各油缸行程,进而确定油缸选型。对比国内冲压成形速度选择,选取速度上限,确定泵、阀选型以及油箱尺寸。特别的,将主系统的泵源分成两部分,一部分通过多组进液阀连通各个不同的执行油缸,满足其最大速度要求;由于主滑块要求出力最大,且要求较高的加压速度,主滑块所需的油液流量大于第一部分泵源提供的流量,需要另一部分泵组专供于主滑块压下动作。在布置方案中,首先,考虑整体布置方案,合理布置主机、加热炉、模具摆放区的位置,合理的利用厂房内外的空间,确保工艺动作能够高效率实现;其次,考虑设备本身结构,完成泵房布置以及电控室、操作室布置。液压部件方案设计过程中,运用模块化、参数化的设计思维,从顶至底的完成三维液压零部件的设计;在阀体设计中,考虑最小通道壁厚尺寸,用以降低阀体零件所占空间和质量,优化模型。以压力闭环控制、位移闭环控制为手段,分手动和自动两档,更加智能化的完成电气控制方案设计。根据公称压力要求,参考相似吨位主机尺寸设计油缸、立柱、拉杆、横梁并对关键尺寸进行强度校核;完成主机三维solidworks建模;将整体机架模型预处理后导入有限元分析软件;处理好接触、摩擦和载荷等边界条件,建立了主机本体结构的整机三维分析模型,实现了本体结构的整体数值模拟分析。论文通过整机三维分析模型计算,得到了主机结构在常用工况下的应力、位移分布状态,给出了主机部件的等效应力云图,并对其整体工作性能进行了分析和评价。论文的这些工作为整体装备方案的确定和技术设计提供了定量的分析依据,主机的结构分析为机架完成最大工件的安全性和稳定性提供了有力凭据。


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