盾构推进液压缸刚度有限元分析.pdf

第 4 期 总第 1 6 7 期 2 0 1 1 年 8月 机 械工 程与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG ＆AUTOM ATI ON No ． 4 Aug． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 i 0 4 - 0 0 6 4 0 3 盾构推进液压缸刚度有限元分析 袁永盛 华东交通大学 机 电工程学院，江西 南昌 3 3 0 0 1 3 摘要 以实际盾构推进液压缸为研究对象，通过P r o ／ E 软件建立液压缸的三维模型，利用A N S Y S 软件建立了 球铰的刚度与液压缸的刚度的有限元模型，得出液压缸刚度与载荷成线性比例的关系。为盾构推进机构的刚 度分析和推进系统的设计提供了一定的基础。 关键词 盾构；A N S Y S ；液压缸；刚度 中图分类号 U 4 5 5 ． 3 9 T B I 1 5 文献标识码 A 0引言 盾构是集开挖、支护、衬砌、出碴于一体的隧道 施工专业设备。盾构实现隧道的开挖，主要是由以下 两个运动完成一是刀盘切削，一是盾体的推进。刀 盘的切削、盾体的推进均依靠支承环 内大体等距布置 的推进油缸[ 1 ] ，因此 ，盾构推进液压缸必须为盾构前 进提供足够的动力，控制盾构的姿态 ，实现盾构的纠 偏及转向要求。液压缸在推进过程中的变形必然会对 末端位姿产生影响，因此有必要对推进液压缸进行静 力学分 析 。 l 液压缸的刚度计算模型 1 ． 1 球铰 的刚度 模型 图 l a 为盾构推进机构的球铰结构示意 图，它 主要 由底座、端盖和球杆 3部分组成 。首先在 P r o ／ E 软件中对球铰建模，然后去掉对结构影响不大的边角 等特 征 ，如倒 角 、圆孔等 。最 后通 过 P r o ／ E中 的 A N S Y S接 口程序 ，将简化后的球铰模型导入 A N S Y S进 行静力学分析，求其刚度。 重 O -0．428 -0．253 a 球铰结构示意 图 b 轴 向变形位移 图 1 球铰 在 A N S Y S软件中，设置球铰各部分材料为钢 ，弹 性模量为 2 ． 0 i 0 “ P a ，泊松 比为 0 ． 3 ，定义网格单元 类型为 S o l i d 4 5 ，接触单元 网格类型为 C o n t a c t 1 7 3 ， 定义球杆与球窝为接触单元，球铰底座为固定约束 ， 在上端面施加大小为 3 X 1 0 。N的斜坡载荷，经求解 可得球铰的轴 向变形位移结果，如图 1 b 所示。 在不同的载荷作用下 ，球铰 的变形位移及相应 的刚度值如表 I 所示。 表 1 球铰的载荷一变形 载荷 O ．6 1 ． 2 1 ． 8 2 ． 4 3 ． O M N 变 形 0 ．2l 5 0 ． 4 0 4 0． 5 4 0 0 ． 6 5l 0 ． 7 5 5 m m 刚度 N ／ m m 2 5 9 0 0 0 0 2 9 7 0 0 0 0 3 3 3 3 0 0 0 3 6 8 7 0 0 0 39 7 3 0 0 0 刚度与载荷的对应关系如图 2 所示。 0 1 2 3 力 ／ M N 图 2 球铰 的刚度与载荷的对应关系 1 ． 2 液压 油的刚度 盾构推进液压缸的结构示意图如图 3所示，它主 收 稿 日期 2 0 1 0 - 1 2 2 0 ；修 回 日期 2 0 1 1 0 3 1 3 作者简介 袁永 1 9 8 7 一 ， 男 ， 江西宜春人 ， 在读硕士研究生， 研究方 向 机构与机器人技术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 4期 袁永盛盾构推进液压缸刚度有限元分析 6 5 要由球铰、活塞杆和缸体组成。 在液压驱动机构静力学分析中，一般认为液压油 是刚性的、不可压缩的，只考虑杆件 的变形。液压油 的体积模量 K 1 ． 4 G P a 2 G P a ，而钢 的体积模量为 1 9 6 G P a - , 2 0 6 G P a ，是液压油 的 1 0 0倍～1 5 0倍 。在 实际推进过程中，液压油的压缩量会对计算结果造成 影响。因此，在对其 的静力学分析中，必须考虑液压 油的刚度。 图 3 推进液压缸结构示意 图 将液压 油按弹簧来考虑 ，其 刚度可 以按下式计 算[ 2 ] E A - 【毒 】。⋯． 1 其 中E为液压油的弹性模量；L为液压缸的有效行 程 ； 为无杆腔 当量初位移 ； 为有杆腔 当量初位 移；A。 为无杆腔横截面积；A 为有杆腔横截面积 ； 为活塞的轴向位移 ；a 、b为工况选择参数，正常掘进 时，a 1 ，b 0 ；临近末端时，a l ，b 1 。 液压油刚度与液压缸的推进位置有关，当盾构正 常掘进时，其刚度表现为随液压缸推进行程的增加而 降低。 1 ． 3 活塞杆 的刚度 活塞杆机构简图如 图 4所示，左端为连接球铰处 的凹形阶梯台，右端为液压油密封环。由于左、右端 不平整尺寸相对整体影响不大，故活塞杆刚度模型可 以简化为长度为 、横截面积为 的均匀直杆，由材 料力学可求解其刚度为 华。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 其中 为活塞杆的弹性模量。 图 4 活塞杆 1 。 4 液压缸的计算刚度 在盾构推进过程中，缸体主要承受液压油的纵向 应力，忽略其轴向变形，则有 } 2 1 十 丽 1 。⋯⋯⋯⋯⋯3 其中k为液压缸的刚度； 为球铰的刚度 。 2 液压缸的有限元分析 选择分析类 型为静力学 ，左边球铰端面 固定约 束 ，为 了便于分析对比，给右边球铰端面施加相当于 3 1 0 e N的应力载荷。设定求解载荷步结束时间为 l S ， 为了减少计算时间， 设定子步数为 1 2 ， A N S Y S求解液压 缸的轴 向位移云图和应力云图分别见图 5 和 图 6 。 由图 5和图 6可知 ，液压缸在油液刚度保持不变 的情况下 ，承受外载作用 的主要变 形为液压油的压 缩，油缸在外载作用下的变形相对较小。 在液压缸有 限元模型的横截面上取 一些关键 点， 见 图 7 。其中，E ～E 为活塞杆上的关键点，B ～B 3 为右端球铰所对应的面。 1 图 7 液压缸截面图上的关键点 表 2为在不同载荷作用下，球铰和活塞杆的变形 位移量。在同一载荷下，关键位置之间的位移变化量 很小，但活塞杆总体位移变化大，由此可知，液压缸 的位移变化量主要 由油液的压缩决定，即液压缸的刚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 机 械 工 程 与 自动 化 2 0 1 1年第4期 度主要为油液的刚度 。随着载荷的增大，球铰末端位 移变化缓慢增加，可以得出液压缸在不同载荷作用下 刚度的变化，如图 8所示。 表 2 不同载 荷下关键位置变形 m i l l 载荷 心 1 ． 8 2 ． 1 2 ． 4 2 ． 7 3 ． 0 l 7 ． 3 4 3 9 ． 7 4 5 l 2． 31 9 1 4 ． 7 3 2 1 7 ． 07 1 7 ． 4 9 5 9 ． 9 3 7 1 2． 5 5 7 1 4 ． 9 8 3 l 7 ． 3 5 8 岛 7 ． 5 7 8 1 0 ． 0 5 5 1 2 ． 31 9 1 5 ． i 6 4 1 7 ． 5 7 0 7 ． 7 7 8 1 0 ． 25 0 l 2 ． 9 41 1 5 ． 4 7 9 1 7 ． 9 2 5 7 ． 7 4 2 1 0 ． 29 2 1 2 ． 9 8 8 l 5 ． 5 2 7 1 7 ． 9 7 5 7 ． 7 8 8 1 0 ． 3 0 4 1 2 ． 9 9 6 l 5 ． 5 2 3 l 7 ． 9 7 1 B1 7 ． 8 7 8 1 0． 1 7 2 1 2 ． 9 8 6 1 5 ． 4 7 9 1 7 ． 98 7 岛 7 ． 7 4 3 1 0 ． 0 9 2 1 2 ． 8 8 7 1 5 ． 5 2 7 1 8 ． 0 5 8 7 ． 8 0 5 1 0 ． 1 3 8 1 2 ． 9 0 8 1 5 ． 6 4 6 1 8 ． 1 1 0 当活塞轴 向位移 x 5 2 6 m l T l 时，根据式 3 ，可 得液压缸在载荷 3 1 0 6 N作用下的刚度为 1 ． 4 8 1 x 1 0 s ，A N S Y S仿真 结果显示轴端位 移为 1 8 ． I l 刚度为 1 ． 6 5 7 x l 0 s N ／ m m，与计算值有误差。这是因为 在 A N S Y S接触分析中考虑 了液压缸的接触应力与摩 擦，且油液刚度并非定值。但从分析结果可以看出这 种有限元模型接近液压缸在实际工作过程中的运动状 态。 3 结论 通过盾构液压缸在 A N S Y S中的接触分析[ 3 ] ，得出 接触应力与摩擦对液压缸的刚度会产生影响，刚度与 载荷成线性比例关系。盾构液压缸的刚度主要表现为 油液的刚度，为盾构推进机构的刚度分析和推进系统 的设计提供了一定的基础。 。 昌 言 ＼ 墅 区 1 ．8 2 2．2 2 ． 4 2 ． 6 2 ． 8 3 载荷 图 8 液压缸在不同载荷作用下的刚度变化 参考文献 [ 1 ] 庄欠伟， 龚国芳， 杨华勇， 等． 盾构液压推进系统结构设计 [ J ] ． 工程机械 ， 2 0 0 5 3 4 7 5 0 ． [ 2 ] 王林鸿， 吴波， 杜润生， 等． 液压缸运动的非线性动态特征 [ J ] ． 机械 工程学报 ， 2 0 0 7 ， 4 3 1 2 1 2 1 9 ． [ 3 ] 尚晓江． A N S Y S结构有限元高级分析方法与范例应用[ M ] ． 北京 中国水利水 电 出版社 ， 2 0 0 6 ． F i n i t e El e me n t An a l y s i s o f S h i e l d Th r us t i ng Hy dr a ul i c Cy l i nd e r St i ffn e s s YUAN Yo n g - s h e n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,N a n c h a n g 3 3 0 0 1 3 ， C h i n Ab s t r a c t T a k i n g a c t u a l s h i e l d t h r u s t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r a s i n v e s t i g a t e d s u b j e c t ， t h i s p a p e r e s t a b l i s h e d t h e 3 D mo d e l o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r b y P r o ,r E s o f t w a r e ， a n d s e t u p t h e fin i t e e l e me n t mo d e l f o r t h e s t i f f n e s s o f t h e s p h e ric h i n g e a n d h y d r a u l i c c y l i n d e r b y u s e o f c o n t a c t a n a l y s i s o f ANS YS s o f t w a r e ． T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r s t i f f n e s s i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o l oa d． Thi s s t u dy p r o i v de s ba s i s for t h e de s i g n o f s hi e l d t h r u s t i n g me c ha n i s m a n d i t s s t i f f n es s a n a l y s i s ． Ke y wo r d s s h i e l d A NS YS ； h y d r a u l i c c y l i n d e r s t i f f n e s s 上接第 6 3页 Fl o w Fi e l d Num e r i c a l Si m ul a t i o n o f La r g e Ca l i b e r Ar t i l l e r y Mu z z l e wi t h Mo v i n g P r o j e c t i l e F AN G J u - p e n g ，L I Q i a n g ，Z HA O J u n - g u a n ，X U Z h i - z h a n g S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ，No r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a ，T a i y u a n 0 3 0 0 5 1 ，C h i n a Abs t r ac t The t wo- di me ns i o na l mo d e l o f t he muz z l e flo w f i el d f o r n ume r i c a l s i mu l at i o n wa s s e t u p i n t he pa pe r ．By c ou p l i n g t h e mov i ng bo u nda r y o f a l a r g e di s pl a ce me nt d e f o r ma t i o n a n d no n-s t ru c t ur a l d y na mi c me s h ，t he N- S e qua t i o n o f c o mpr e s s i bl e flo w wa s s o l v e d，t h e muz z l e flo w fie l d s t r u ct ur e a nd t he d e v e l o pme nt pr o ce s s we r e a na l y z e d ，a nd t he pa r a met e r s a nd di s t rib ut i o n of t h e muz z l e fl o w fie l d c o n s i s t i n g o f t h e mu z z l e b l a s t a n d t h e s u r r o u n d i n g j e t s t r u c t u r e w e r e o b t a i n e d ． Ke y wo r d s p r o j e c t i l e l a r g e c a l i b e r a r t i l l e r y mu z z l e fl o w fi e l d n u me r i c a l s i mu l a t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m