大型液压缸的强度和动态主参数的分析和研究.pdf

大型液压缸的强度和动态主参数的分析和研究 口张宏洲 洛 阳矿 山机械工程设计研究 院有 限责任公司 河南洛阳4 7 1 0 3 9 摘要 在 大量的设计 计算和实用基础上 。 对液压缸强度和动 态主参数理论计算进 行 了深入研究 ， 并对 计算公 式进行 了修正 。这样无论是新 的液压缸或 同类设备产品设计和液压 系统设计 ， 还是原液压缸 的改造计算 ， 都具有 实际意义。 关 键 词 液压 缸液 压 固有 频 率壁 厚 中图分类号 rr H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 4 9 9 8 f 2 0 1 3 0 6 - 0 0 0 9 - 0 3 从 1 7世 纪 6 0年 代 初 ， 帕 斯 卡 发 现 了 通 过 对 液 体 介 质 的 作 用 能 够 产 生 很 大 的 力 量 ， 即 帕 斯 卡 定 律 ， 人 们 对 流 体 传 动 逐 渐 产 生 了 越 来 越 深 刻 的 认 识 ， 随 着 技 术 进 步 和 不 断 的 发 展 ， 依 据 流 体 运 动 的 特 性 ， 即 工 作 平 稳 ， 振 动 和 噪 声 较 小 。 具 有 过 载 保 护 性 ， 易 于 大 行 程 、 大 空 间 、 大 负 载 工 作 ， 运 行 速 度 平 稳 可 调 ， 负 载 力 平 稳 可 调 等 ， 这 些 特 点 优 于 机 械 等 其 它 方 式 的 传 动 ， 故 广 泛 应 用 于 矿 山 机 械 、 冶 金 、 汽 车 、 家 电 、 航 空 、 航 天 、 轮 船 等 各 个 行 业 ， 同 时 也 广 泛 应 用 于 防 爆 、 防 腐 、 井 下 采 矿 、 有 毒 有 害 、 易 燃 易 爆 等 特 殊 要 求 的 行 业 中 。 对 其 深 入 研 究 是 各 个 行 业 的 发 展 要 求 ， 对 流 体 驱 动 的 动 力 源 ． 即 液 压 元 件 中 的 液 压 缸 的 强 度 和 动 态 主 参 数 进 行 分 析 和 研 究 ，能 够 更 好 地 开 发 研 制 和 设 计 产 品 ， x ,-J - -- J 、 匹 配 、 节 能 的 液 压 系 统 的 应 用 具 有 重 要 意 义 。 1 强度主参数 大 型 液 压 缸 的 受 力 状 态 是 相 当 复 杂 的 ． 常 因 疲 劳 破 坏 而 发 生 失 效 。 特 别 是 大 型 厚 壁 筒 液 压 缸 ， 一 旦 失 效 ， 往 往 会 使 设 备 处 于 瘫 痪 状 态 ， 给 使 用 单 位 造 成 很 大 的 损 失 。 对 大 型 液 压 缸 的 正 确 理 论 分 析 ， 有 助 于 液 压 缸 的 正 确 设 计 和 使 用 。 目前 的 强 度 分 析 主 要 根 据 弹 性 强 度 理 论 。 对 于 大 型 厚 壁 长 行 程 液 压 缸 的 强 度 主 参 数 ， 主 要 体 现 在 缸 筒 厚 度 的 计 算 ， 其 等 效 为 等 厚 度 受 均 匀 分 布 内 压 的 厚 壁 圆 筒 液 压 缸 体 ， 如 图 1所 示 。 图 1所 示 为 轴 对 称 受 力 问 题 ． P 为 均 匀 分 布 的 内 压 ， D 为 缸 体 内 径 ， D 为 缸 体 外 径 ， 为 径 向 正 应 力 ， 收稿 日期 2 0 1 2年 1 2月 机械制造5 1 卷 第5 8 6期 为 切 向 正 应 力 。 1 当 液 压 缸 为 薄 壁 小 直 径 的 缸 体 时 ， mm， 令 卵为 分 段 系 数 ， 则 缸 体 壁 厚 6为 6 JD 2 一 D ／ 2 D1 ≤ 1 5 0 当 叩 6时 ， 由 弹 性 理 论 可 得 0 8 P D。 ／ 2 E o - ] 2 式 中 [ ] 为 许 用 应 力 ， [ ] o - d n， O r b 为 屈 服 强 度 ；n为 安 全 系 数 ， 一 般 可 取 4 ～ 5 。 2 当 D1 1 5 0 mm 时 ， ≤6，其 为 厚 壁 大 直 径 缸 体 ， 根 据 弹 性 理 论 可 得 器 一 等 面P D I 1 0 2 2 3 4 式 中 D 为 任 意 直 径 处 。 通 过 上 式 可 以 看 出 ， 最 大 应 力 值 是 在 内 壁 上 ， 将 D 用 D 代 替 ， 代 入 式 3 和 式 4 可 得 f O r -- - P 5 f t D 2 2 - 丝 D1 2 P 6 从 式 5 及 式 6 式 可 得 出 相 应 的 厚 壁 缸 体 壁 厚 的公 式 ， 将 [ ] 取 代 经 过 整 理 可 得 ≥ D 、 ／ 7 式 中 [ o r ] 为 许 用 应 力 ， 其 取 值 同 上 。 对 于 式 2 和 式 7 在 多 年 的 应 用 中 ， 所 设 计 的 各 种 设 备 的 油 缸 均 能 安 全 、 可 靠 、 稳 定 地 运 行 使 用 。 当 油 缸 直 径 接 近1 5 0 mm 及 分 段 系 数 接 近 分 界 值 附 近 时 ， 可 根 据 所 设 计 的 液 压 缸 的 重 要 性 和 功 能 性 。 利 用 式 2 和 式 7 同 时 进 行 综 合 计 算 分 析 ， 依 据 条 件 对 计 算 结 果 进 行 比较 后 ， 适 当 选 取 壁 厚 值 。 2动态 主参数 大 型 液 压 缸 一 般 驱 动 大 惯 量 负 载 ， 负 载 运 动 的 动 态 平 稳 性 是 设 备 整 体 稳 定 性 的 基 本 要 求 。液 压 缸 动 态 平 稳 性 的 主 参 数 是 固 有 频 率 的 计 算 和 校 核 ， 其 值 的 确 201 3 ／6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 定 直 接 决 定 了负 载 运 动 的 加 、减 速 度 ， 而 且 对 设 计 稳 定 、 负 载 匹 配 的 液 压 系 统 也 具 有 重 要 的 意 义 ， 同 时 对 设 备 的 运 行 速 度 、 工 作 频 次 等 都 有 决 定 作 用 。 2 ． 1 系 统 方 程 建 立 实 际 的 液 压 缸 系 统 是 一 个 复 杂 的 非 线 性 振 动 系 统 ， 很 难 对 其 直 接 建 立 非 线 性 方 程 关 系 ， 而 通 过 对 其 近 似 地 建 立 相 应 的 线 性 方 程 来 进 行 分 析 ，往 往 可 以 接 近 于 实 际 特 性 。 对 现 有 的 液 压 缸 系 统 进 行 近 似 的 线 性 系 统 分 析 建 模 ， 如 图 2所 示 。 图 2 中 的 a 是 典 型 的 二 阶 振 荡 环 节 系 统 ， 其 力 学 方 程 为 m 。誓 y F 8 式 中 m 为 负 载 质 量 ； y为 位 移 ； c为 阻 尼 系 数 ； 后 为 弹 簧 刚 度 ； F为 负 载 力 ； ￡为 时 间 。 该 系 统 的 传 递 函 数 为 G ㈥ 器 OJ nZS ％ 2g tO ．S 1 9 式 中 s为 拉 普 拉 斯 变 换 因 子 ； C O 为 系 统 的 固 有 频 率 ， ∞n 、 ／ 丽 ； 为 阻 尼 比 ， 。 图 2中 的 b 是 液 压 缸 流 体 液 压 系 统 。 由 流 体 力 学 连 续 方 程 及 动 力 学 平 衡 定 律 可 以 对 该 系 统 建 立 方 程 Q l P m F d t 1 0 1 1 式 中 p 为 流 量 ； A 为 液 压 缸 工 作 面 积 ； 1 3为 活 塞 及 负 载 的 运 动 速 度 ； P为 液 压 缸 高 压 腔 液 体 压 力 ； M 为 液 压 缸 泄 漏 总 系 数 ； G 为 液 压 缸 阻 尼 系 数 ； V 为 总 容 积 即 高 压 腔 容 积 和 进 口管 路 容 积 ； E。 为 液 压 油 的 体 积 弹 性 模 量 。 联 立 式 1 0 和 式 1 1 ， 得 流 量 与 速 度 的 关 系 式 一 等 c 十 静 ， 静 1 2 2 ． 2 固 有 频 率 的 计 算 联 立 求 得 的 流 量 和 速 度 的 关 系 式 与 二 阶 振 荡 环 节 的 系 统 进 行 比 较 ，考 虑 负 载 力 随 负 载 压 力 而 变 化 与 流 量 和 速 度 无 关 ， 可 设 为 常 值 ， 则 式 1 2 可 以 看 成 典 型 的 二 阶 振 荡 环 节 ， 将 式 1 2 与 式 8 的 相 关 系 数 进 行 对 应 ， 可 得 出 对 应 于 式 8 中 的 等 效 负 载 质 量 m ， 等 效 弹 簧 刚 度 ， 等 效 阻 尼 系 数 c ， 利 用 这 些 数 据 可 得 出 相 应 的 0 9 。 此 处 主 要 考 虑 固 有 频 率 的 计 算 ， 可 得 出 系 统 固 6 - 频 率 n 、 匦 Vz m 1 3 式 1 3 为 带 泄 漏 及 阻 尼 的 固 有 频 率 公 式 ， 无 阻 尼 无 泄 露 时 ， 固 有 频 率 为 1 4 式 1 3 及 式 1 4 对 于 短 管 路 液 压 油 缸 固 有 频 率 计 算 是 适 合 的 ， 但 对 于 大 型 的 液 压 缸 ， 往 往 其 管 路 分 布 较 长 ． 从 液 压 缸 进 、 出 油 口 到 控 制 阀 之 间 的 距 离 长 ， 如 图 2中 b 所 示 ， 计 算 时 需 要 考 虑 管 路 中 的 液 体 质 量 对 整 个 弹 性 系 统 的 影 响 。 在 图 2 b 中 ， 假 设 左 端 为 高 压 腔 Pl ， 右 端 为 低 压 腔 尸 2 ， 一 般 低 压 腔 通 过 阀 与 油 箱 相 通 ， 使 等 于 零 ， 但 实 际 工 作 中 ， 低 压 腔 往 往 充 满 液 压 油 ， 且 具 有 一 定 的 压 力 。 根 据 这 种 状 态 ． 对 加 压 瞬 态 进 行 简 化 分 析 ， 瞬 间 加 压 会 使 低 压 腔 管 道 内 的 液 体 瞬 间 加 速 ， 将 其看 成 不压 缩 的实 心体 ， 在 忽略 内泄 和摩擦 后 ， 可 以 根 据 力 学 定 律 和 流 量 方 程 建 立 以下 关 系 A PI P2 m -尸2 m 5 A vA l l 式 中 A。 为 管 路 的 横 截 面 积 ； 口 是 管 路 的 瞬 间 速 度 ； m 为 管 路 的 质 量 。 由 方 程 组 联 立 可 得 出 关 系 式 A P l [ 仇 ] 誓 1 6 由 式 1 6 可 得 出 带 长 进 出 油 管 路 液 压 缸 系 统 的 总 等 效 质 量 M [ m } ] 1 7 将 式 1 7 代 入 式 1 3 可 得 出 带 长 进 出 油 管 路 液 压 缸 系 统 的 固有 频 率 公 式 莓 回 2 0 1 3 ／ 6 1 8 将 式 1 4 中 的 r r t 用 式 1 7 中 的 取 代 ， 可 得 无 阻 尼 无 泄 漏 带 进 出油 管 路 液 压 缸 系 统 的 固 有 频 率 公 式 。 3 应 用分析 对 自主 设 计 和 制 造 并 使 用 的 大 型 液 压 机 进 行 计 算 和 校 核 ， 其 主 要 参 数 主 缸 的 直 径 机械制造5 1 卷 第 5 8 6期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 轮胎集装箱门式起重机起升动载系数的有限元计算 口成强 上海市质量监督检验技术研究院上海2 0 0 0 7 2 摘要 起 重机起 升动载 系数 的大小， 对起 重机 的设 计、 整机重量 、 安全性和经济性等都有较大的影响 。建立 了轮胎 集装 箱门式起重机有 限元模型 ， 计算得 出不同位 置处起 升动 栽 系数值 ， 并与实际测试结果进行对 比。 验证 了有限元计 算的 准确性 ， 研 究结果具有较 强的实用价值 。 关键词 轮 胎集装箱 门式起重 机起升动载 系数有限元模型 中图分类号 T H1 2 3 ． 3 ； U 6 5 3 ． 9 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 4 9 9 8 2 0 1 3 0 6 0 0 1 1 - 0 3 起 重 机 起 升 或 下 降 制 动 时 ，对 承 载 结 构 和 传 动 结 构 将 产 生 附 加 的 动 载 荷 作 用 。在 考 虑 这 种 工 作 情 况 的 载 荷 组 合 时 。 应 将 起 升 载 荷 乘 以 起 升 动 载 系 数 。 起 升 动 载 系 数 的 取 值 大 小 ， 对 起 重 机 的 设 计 、 整 机 重 量 、 安 全 性 和 经 济 性 等 都 有 较 大 的 影 响 。 因 此 ， 国 内 外 专 家 对 确 定 动 载 系 数 的 理 论 和 方 法 作 了 大 量 的 研 究 ，取 得 了 丰 硕 的 成 果 ⋯。 本 文 建 立 了 轮 胎 集 装 箱 门 式 起 重 机 有 限 元 模 型 ．并 对 起 重 机 大 梁 不 同 位 置 进 行 静 载 和 动 载 应 力 计 算 。 以 此 得 出 不 同位 置 处 起 升 动 载 系 数 的 值 。 将 有 限 元 计 算 结 果 与 已测 试 的 实 际 结 果 进 行 比 对 ，验 证 有 限 元 计 算 方 法 的 正 确 性 。 收稿 日期 2 0 1 3年 1 月 1 建模 在 有 限 元 分 析 中 ，要 根 据 工 程 需 要 来 选 择 恰 当 的 单 元 类 型 ， 这 样 可 以 减 少 计 算 时 间 并 提 高 计 算 精 度 。 起 重 机 整 体 结 构 的 有 限 元 计 算 尤 其 是 动 力 学 计 算 一 般 选 择 梁 单 元 建 模 ， 好 处 是 建 模 简 单 、 规 模 较 小 、 计 算 精 度 也 较 高 。 本 文 对 轮 胎 集 装 箱 门 式 起 重 机 主 要 钢 结 构 采 用 了 梁 单 元 B e a m1 8 8 ， 同 时 根 据 实 际 问 题 的 需 要 和 起 重 机 实 际 参 数 ， 对 实 体 进 行 了 合 理 的 简 化 ， 并 建 立 起 重 机 的 模 型 。 ． 1 ． 1 小 车 建模 大 梁 中点 位 置 是 一 个 很 重 要 的位 置 。 因 为 当 轮 胎 集 装 箱 门 式 起 重 机 小 车 运 行 到 该 位 置 时 ．大 梁 产 生 的 为 1 4 0 0 mm ； 工 作 压 力 为 2 8 MP a； 材 料 为 2 0 Mn Mo； 工 作 行 程 为 1 5 0 0 mm 最 大 工 作 速 度 为 6 0 mm／ s ； 移 动 部 分 的 质 量 为 1 3 2 ． 4 x l O 。 k g， 工 作 频 次 为 2 4 ／ mi n 。 首 先 进 行 强 度 校 核 ， 取 [ o r ] 9 6 MP a ， 利 用 式 7 ， 计 算 得 出 D l 8 9 0 mm ，所 设 计 的 主 油 缸 外 直 径 为 1 9 3 0 mm。 完 全 满 足 要 求 ， 目前 使 用 状 况 良好 。 其 次 对 动 态 主 参 数 进 行 校 核 ，其 工 况 状 态 为 主 缸 动 作 ，推 动 移 动 部 分 动 作 。取 EB 7 0 0 ～ 2 0 0 0 MP a ， T F 0 ． 0 01 - 0 ． 0 2， q o ． O 7 ～ O ． 2， 以 上 均 按 大 数 取 值 ， 先 不 考 虑 长 管 路 的 影 响 ， 利 用 式 1 3 得 出 0 3 1 2 4 ． 6 r a d ／ s 1 9 ． 8 Hz 。 而 考 虑 到 长 管 路 的 影 响 ， 高 压 油 管 内 径 为 1 3 0 mm。 长 度 约 为 2 5 i n， 油 的 密 度 为 0 ． 9 g C c m , 计 算 油 管 质 量 得 出 为 2 9 8 ． 5 k g ， 则 利 用 式 1 8 得 出 C． O 2 2 r a d ／ s 3 ． 5 Hz ， 计 算 值 可 以 说 明 该 设 备 动 态 性 能 稳 定 。 通 过 计 算 ， 对 式 1 8 与 式 1 3 两 值 进 行 比 较 ， 两 值 偏 差 较 大 。说 明 对 于 长 油 管 的 大 型 油 缸 系 统 不 能 忽 略 长 油 管 的 影 响 ， 式 1 8 的 值 接 近 于 目前 此 类 设 备 相 关 资 料 的 实 测 值 ， 且 液 压 系 统 平 稳 ， 冲 击 和 振 动 小 ， 当 设 机械制造5 1卷 第 8 6期 备 以正 常 频 次 工 作 时 ， 不 会 出 现 振 动 失 稳 和 共 振 现 象 。 4结论 通 过 利 用 动 力 学 和 流 体 力 学 理 论 对 大 型 液 压 缸 系 统 的 强 度 、 动 态 主 参 数 、 壁 厚 和 固 有 频 率 进 行 建 模 、 分 析 推 导 、 计 算 ， 得 出 了 相 应 的 结 论 。 所 推 导 出 的 公 式 通 过 多 年 的 液 压 缸 设 计 和 应 用 校 核 ， 均 能 满 足 强 度 要 求 ． 减 少 了 疲 劳 失 效 现 象 的 发 生 ， 液 压 缸 系 统 运 行 平 稳 、 可 靠 。对 与 整 个 设 备 相 匹 配 的 液 压 系 统 ． 运 行 稳 定 ， 振 动 和 冲 击 小 ，所 推 导 出 的 公 式 应 用 在 同 类 型 设 备 上 也 具 有 一 定 的 指 导 意 义 。 参 考 文 献 [ 1 ] 俞新陆． 液压机 的设计与应用 [ M] ．北 京 机械工业出版社 ， 2 00 6． [ 2 ] 李洪人． 液压控制系统 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 3 ] 李 哓雷 ， 俞德孚 ， 孙逢春． 机械振动基础 [ M] ． 北京 北京理 工大学出版社 ． 2 0 0 7 ． △ 编 辑 小 前 2 01 3 ／6 回 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m