基于Simulation的液压缸外缸筒变形分析.pdf

基于 S i mu l a t i o n的液压 缸外缸 筒变形分析 赵玉奇 李瑞珍 罗春虎 1河南省化 学工业学校郑州4 5 0 0 4 2 2郑州大学机械工程学院郑州4 5 0 0 0 1 摘要针对液压系统的重要执行部件多级液压缸在工作过程中出现的外缸筒变形 ，进而导致的液压油泄 漏现象，运用 S o l i d Wo r k s 插件 S i m u l a t i o n有限元分析软件对外缸筒进行有限元分析，并基于分析结果，提出改进 设计的具体措施 ，避免泄漏现象的发生。 关键词液压缸 ；外缸筒 ； 泄漏 ；应力；仿真 中图分类号T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 0 0 9 0 0 3 2 0 3 Ab s t r a c t S o l i d W o r k s p l u g i n S i mu l a t i o n fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t w a r e i s a d o p t e d f o r t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o n t h e o u t e r c y l i n d e r d i r e c t i n g a t t h e l e a k o f h y d r a u l i c 0 i l c a u s e d b y t h e d e f o r ma t i o n o f o u t e r c y l i n d e r d u r i n g the o p e r a t i o n of t h e i mp o r t a n t e x e c u t i v e c o mp o n e n t mu l t i - s t a g e c y l i n d e r of t h e h y d r a u l i c s y s t e m ， a n d s p e c i fi c me a s u r e s o f i mp r o v i n g t h e d e - s i g n a r e p r o p o s e d b a s e d o n a n a l y s i s r e s u l t s t o a v o i d l e a k a g e ． Ke y wo r d sh y d r a u l i c c y l i n d e r ；o u t e r c y l i n d e r ；l e a k a g e ；s t r e s s ；s i mu l a t i o n 液压缸是 液压系统 中非 常重要 的执行 元件 ， 其驱动机构作直线 往复运动 ，将流体的压力能转 化为机械能 ，工作平稳 ，惯性小 ，反应快 。 泄漏是液压传动系统必须解 决的问题。内泄 漏会引起系统容积效率的急剧下 降，使系统达不 到所需 的工作压力 ，造成设备无 法正常运转；外 泄漏则造成工作介 质浪费和环境 污染，甚至引发 设备操作失灵和人身事故 。2 1 MP a 3级液压缸主 要用于钻井支架 的竖起 与放 落，由于压力较 大 ， 工作时 容易 出现 泄漏 现象。本 文运 用 S o l i d Wo r k s S i m u l a t i o n有限元分析软件对外缸筒进行分析 ，并 提出改进方法 ，有效地解决 了其泄漏问题。 1 结构及受力分析 2 1 MP a 3级液压缸的结构如 图 1所示 ，为柱 塞式和双作用活塞式相结合 的结构。在竖起 支架 时，大直径缸 1级缸 先伸 出，然后 2级缸、3 级缸伸出，升起过程 中速度逐 渐减小。工作结束 收起液压缸 时 ，小直径 缸 3级缸 先 收起 ，依 靠重力逐级收回。 在外缸筒 上开设安装卡环 的环形槽 ，以固定 导向套。外 缸筒受 力如 图 2所示 ，包 括液 压油 、 导向套 、卡环和挡 圈对 内壁 的正压力 ，以及卡环 一 3 2 一 图 1 3级液压缸的结构图 对环形槽 的轴向压力。由于开有环形槽 ，缸筒 的 壁厚被削弱 。在承受较大压力 时，外 缸筒会 出现 “ 喇叭口”状的变形 ，从而导致液压油泄漏 ，影响 钻井支架顺利竖起与放落。 图 2 外 缸筒受力 分析 1 ．面 1 2 ．面 2 3 ．面 3 2 S i mu l a t i o n有限元计算 作为 S o l i d Wo r k s的插 件 ，S i mu l a t i o n与 S o l i d - Wo r k s 无缝集成 ，其功能强大 ，界面友好 ，操作简 单 ，计算结果可靠。S i m u l a t i o n能够进行应力分析 、 应变分 析、频率分析 、热 分析 、掉落测试 、疲劳 起重运输机械 2 0 1 0 9 分析 、设计优化 、线性和非线性分析等。与 A n s y s 等有限元分析软件相 比，S i m u l a t i o n以其直 观性 和 易操作性得到了越来越广泛的应用。 2 1 MP a 3级液压缸外缸简 S i m u l a t i o n有限元计 算步骤如下 1 创建算例运行 S i mu l a t i o n插件并建立静 态算例。计算位移 、反作用力 、应 变、应力 和安 全系数分布。当应力超过一定数值 时材料将失效 。 安全系数计算基于失效准则 ，安全系数低于 1 ，即 表示材料失效。 2 设置材料属性在 S i m u l a t i o n中将外缸筒 的材质指定为合金钢。 3 添加约束为完成静态分析 ，模 型须正 确施加约束 ，使之无法移动。S i m u l a t i o n提供 了各 种夹具来 约束模 型。在外缸筒 的工作 过程 中，其 端面圆环与后盖焊接在一起 ，故在外 缸筒 的圆环 面上施加固定几何体约束。 4 施加载荷 为简化计算 ，在缸筒 的内壁 上施加 2 1 MP a的垂直正压力 ，在环形槽面上施加 轴向压力 2 1 M P a ，模拟外缸筒的实际受力情况。 5 网格化模型 S i mu l a t i o n采用 四面体实体 单元划分实体几何体，采用高品质单元 2阶单 元 以达到较好 的模拟能力 ，提 高分 析结果 的可 靠性。 6 运行算例分析完成后 ，在 S i mu l a t i o n树 形分析管理器中生成各 种图解。显示 的位移 图解 如图 3所示。 图3 外缸筒位移图解 3 结果分析 S i m u l a t i o n对零件模型进行应力分析 ，分析结 果的精确度取决于材质属性 、约束 以及载荷。为 使结果有效，指定的材质属性必须能够准确描述 零件材质，约束与载荷须准确描述零件 的实 际工 作条件。本文的分析严格按照实际情况进行设置 ， 起重运输机械 2 0 1 0 9 结果是可靠的。 由于面 1 、面2 、面3 见图 1 直接或间接与 密封圈相接触 ，故须保证其变形 较小 。在 S i mu l a - t i o n软件中，使用 “ 探测”工具分别测量 3个 面的 最大位移 ，结果见表 l 。 表 1 2种结构的测量值及对 比 项 目 原有结构 改进结构 相对减d r％ 面 1 位移／ m m 0 ． 2 7 1 ’ O ． 2 6 1 3 3 ． 6 面 2位移／ m m 0 ． 2 9 9 1 0 ． 2 6 0 9 1 2 ． 8 面 3位移／ m m 0 ． 3 1 7 8 0 ． 2 5 6 7 1 9 ． 2 4 结构 改进 为了减小变形量 ，避免发 生泄漏现象 ，在 缸 筒外 与 环形 槽 相对 的位 置增 加 1道箍 ，如 图 4 所示 。 图4 改进设计的结构图 用 S i m u l a t i o n对该装配体按照 2中的步骤进行 分析 ，注意不同之处 1 指定箍的材质为合金钢。 2 指定零部件间的连接类 型。分析装配体 时，须 了解装 配体 的各个零 部件 之 间接触类 型， 以保证建立 的数学模型能够正确计算接触时的应 力和变形。实际工作 时，外缸筒与箍一起 受力 变 形 ，故此处指定连接类型为 “ 接合 ” ，即把装配体 看成是一个整体。 分析完成后显示的位移图解如 图5所示。 图5 改进设计的位移图解 在 S i m u l a t i o n软件中，使用 “ 探测”工具分别 测量面 1 、面 2 、面 3的最大位移 ，并将计算结果 一 3 3 83 8 4 94 94 9 耜 m “们 甜 弘 始 兮 s { ∞ 32 2 2 2}● 0 0 O O n O O O O 0 00 0 O O O I繇器器 瓣嚣驻鼹譬t 3 6 8 o 24 7 9 m 瑚 Ⅲ m m m ●0 O 0 O O0 O O 0 0 0 0 ● 墓 辨黯缀I 浅析机械式停车设备 专项 安全保护与防护装置 的设置 王盛 宁波市特种设备检验研 究院宁波3 1 5 0 2 0 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 0 0 9 0 0 3 4 0 3 国家质检总局颁布的 T S G Q 7 0 1 5 --2 0 0 8 起重 机械定期检验规则 以下简称 定检规 、rI 1S ． G Q 7 0 1 6 --2 0 0 8 起重机械安装 改造重大维修监督 检验规则 以下简称 安装监检规 已于 2 0 0 9 年 4月 1日起实施 。 安装监检规 把机械式停车 设备列入 了实施安装 监督检 验 的起 重机械 目录 ， 并把机械式停车设备分为 了升降横移 、垂直循环、 多层循环 、平面移动 、巷道 堆垛、水平循 环、垂 直升 降、简 易 升 降、汽 车 专用 升 降 机 9类。在 定检规 中列出了机械式停车设备需设置的专项 安全保护装置和防护装置。 通过对 规则 指 定检规和 安装监 检规 的研究与实践检验，发现 规则对停车 设备 的专 项安 全 保 护装 置 的设置 与 G B 1 7 9 O 7 1 9 9 9 机械式停车设备通用安全要求等机械 式停车设 备的 国家强制标准 、行业推荐标准相 比 有较大变化 ，对很多项 目的要求 变得 更高 、更严 格。详细对 照 G B 1 7 9 0 7 --1 9 9 9 机 械式 停 车 设 备通用安全要求以及 J B ／ T 8 9 1 0 --1 9 9 9 升降 横移类机械式停 车设备、J B ／ T 8 9 0 9 --1 9 9 9 简 易升 降类 机 械 式 停 车设 备 、J B ／ T 1 0 2 1 5 --2 0 0 0 垂直循环类 机械式停车设备 、J B ／ T 1 0 4 7 4 --2 0 0 4 巷道堆垛类机械式停车设备 、J B ／ T 1 047 5 --2 0 0 4 垂直升降类机械式停车设备 、J B ／ T 1 0 5 4 5 --2 0 0 6 平面移动类机械式停车设备等行业标准，归纳 出 规则与相关标准在停车设备的专项安全保 护装置的设置方面的变化 ，见表 1 。 根据表 1 ，简要分析如下 1 长 、宽 、高 限制装置。平 面移 动类、多 层循环类行业标准 中要求设有 限高装置 ，主要考 进行 比较 ，见表 1 。 从表 1中可以看出，3个与密封相关 的面的位 移均变小。并且 ，在 现场测试 中，改进结构 没有 发生泄漏 ，理论分析 与实际结果相吻合 ，证 明 了 改进设计的可行性 。 5结论 借助 S i mu l a t i o n有 限元 分 析软件 ，得 出 2种 结构在 同样的载荷条件下位移 的变化情况 ，为结 构改进提供了理论依据 。通过 比较可知结构改进 后外缸筒的受力变形 明显减小 ，从根本上避免了 泄漏 现象 的发 生 。改进 结构 的液压 缸 已投 入 使 用 ，没有发生 泄 漏 现象 ，证 明 了改进 设 计 的 合 理性 。 -- 3 4 ．- - 参考 文献 [ 1 ]刘国良，刘洛麒 ．S o l i d Wo r k s 2 0 0 6完全学习手册 图解 C O S MO S Wo r k s [ M] ．北京电子工业 出版社， 2 0 o6 ． [ 2 ]杜平安，甘娥忠，于亚婷 ．有限元法原理、建模 及应用[ M] ．北京国防工业出版社，2 0 0 4 ． [ 3 ]王积伟，章宏 甲，黄谊 ．液压与气压传动[ M] ．北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 5 ． [ 4 ]成大先 ．机械设计手册[ M] ．北京化学工业出版社， 2 1 0 5． 作 者罗春虎 地 址河南省郑州市科学大道 1 0 0号郑州大学机械工 程学 院 邮 编 4 5 0 0 0 1 收稿日期 2 0 1 0 0 4 2 3 起重运输机械 2 0 1 0 9