液压缸的优化设计.pdf

液压缸硇优化设计口张剑慈衢州学院工程实训中心浙江衢州3 2 4 0 0 0摘要液压缸是液压设备中的重要部件。工作中承受的交变负荷严重影响其使用寿命。根据生产实践中液压缸的损坏规律和特点，提出了将弹性理论、优化理论和有限元法结合的液压缸的优化设计方法，优化结果表明，改善了液压缸的应力状况，此方法并可精确地确定液压缸的结构尺寸，减轻液压缸的重量。关键词液压缸损坏优化设计中图分类号T H l 3 7 ．5 1文献标识码B文章编号1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 2 0 9 0 0 5 9 0 3液压机的工作缸负荷重。工作频繁，往往由于设计、制造或使用不当过早损坏。液压缸体的结构一般可分为三部分即缸底、法兰和中间厚壁圆筒。液压缸体的一般形式是一端开口、一端封闭的厚壁高压容器。根据多年来生产现场的使用经验，液压缸损坏的部位多数在法兰与缸壁连接的圆弧部分，其次在缸壁向缸底过渡的圆弧部分，少数在缸筒筒壁产生裂纹 也有因汽蚀严重而破坏的。因此，掌握液压缸的损坏规律及特点，提出液压缸的优化设计方法是延长液压缸使用寿命的关键。笔者采用弹性理论、优化理论和有限元法结合的设计方法，对液压缸进行优化设计，对应力状况的改善效果显著，并可较精确地确定液压缸的结构尺寸，避免盲目设计。1液压缸损坏部位及特点从液压缸使用情况看，一般在损坏时都已承受了很高的工作加载次数 3 0 ～1 0 0 万次 ，裂纹是逐步形成和扩展的．属于疲劳破坏。缸筒筒壁裂纹～般首先出现于内壁，逐渐向外发收稿日期2 0 1 2 年4 月展，裂纹多为纵向分布．或与缸壁母线成4 5 。。缸的法兰部分的损坏，首先在缸的法兰过渡圆弧处的外表面出现裂纹，逐渐向圆周方向及内壁扩展，最后裂透或者裂纹扩展到螺钉孔，使法兰局部脱落。缸底首先在缸底过渡圆弧处的内表面开始出现环向裂纹，逐步向内壁扩展及至裂透。液压缸也会因汽蚀现象产生蜂窝状麻点而损坏，尤其是在进液口内壁，容易汽蚀。影响液压缸工作寿命的原因是多方面的，必须结合具体情况进行分析。但设计方法是主要原因之一。结构尺寸设计不合理．如缸壁到法兰过渡区结构形状设计不合理，引起很大的应力集中，从缸底到缸壁的过渡圆弧区会产生弯曲应力，并有应力集中，过渡圆弧半径一般不小于D ／8 D 为液压缸内直径 ，此处圆弧太小是缸底破裂的主要原因之一。2 液压缸的优化设计在液压缸的设计中．一些主要结构参数的选取常会根据经验，而经验往往带有一定的盲目性。例如，在大型液压缸主工作缸设计时．为了减少应力集中区的扩展会变成深度a 不变、宽度c 不断增大的细长型半椭圆表面裂纹。参考文献[ 1 ]F i s hJ ．T h eS - v e r s i o no fF i n i t eE l e m e n tM e t h o d [ J ] ．C o m p u t e r s S t r u c t u r e ，1 9 9 2 ，4 3 3 5 3 9 - 5 4 7 ．[ 2 ]F i s hJ ，M a r k o l e f a sS ，G a t t a lR ，e ta 1 ．O nA d a p t i v eM u l t i l e v e lS u p e r p o s i t i o no fF i n i t eE l e m e n tM e s h e sf o rL i n e a rE l a s t o s t a t i c s [ J ] ．A p p lN u m e r a lM a t h ，1 9 9 4 ，1 4 1 3 5 1 6 4 ．[ 3 ]O k a d aH ，E n d o hS ，K i k u c h iM ，O nF r a c t u r eA n a l y s i sU s i n ga nE l e m e n tO v e d a yT e c h n i q u e [ J ] ．E n g i n e e r i n gF r a c t u r eM e c h a n i c s ，2 0 0 5 ，7 2 7 7 3 7 8 9 ．f 4 1买买提明艾尼，王国春．基于有限元重合网格法的宏观一盘机械制造5 0 卷第5 7 7 期[ 5 ][ 6 ][ 7 ][ 8 ]细观多尺度细粒化研究[ J ] ．新疆大学学报，2 0 0 6 4 ．王国春、买买提明艾尼．有限元重合网格法及其实例分析[ J 3 ．机械与屯子，2 0 0 6 5 2 0 2 1 ．黄其青，谢伟．有限元重合网格法在三维线弹性断裂力学中的应用研究[ J ] ．机械强度，2 0 0 9 ，3 1 1 1 0 4 1 0 7 ．黄其青。谢伟．基于有限元重合网格法的等大共面的三维表面裂纹交互因子研究[ J ] ．西北工业大学学报，2 0 0 9 ，2 7 1 1 0 5 一1 0 9 ．中国航空研究院。应力强度因子手册 增订版 [ M ] ．北京科学出版社，1 9 8 l 、△ 编辑功成2 0 1 2 ／9 万方数据 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ～应力，往往盲目地增加法兰及缸底的厚度。将弹性理’上式中不等式约束中的许用应力可根据设计使用论、优化理论和有限元法结合起来，对液压缸进行优化设计，能避免盲目设计。2 ．1 数学模型及设计变量液压缸的计算简图如图l 所示。液压缸内径2 R 。及缸体长度三是给定参数。内径由液压缸作用力P 及液体工作压力F 确定，而缸体长度￡则由缸体柱塞的行程确定。待定的设计参数有6 个，即缸壁厚度t ，缸体厚度r ，缸的法兰厚度日，缸底过渡圆弧半径R n 缸法兰处过渡圆弧半径霞。及法兰部分的外径2 R 。。上述6个参数中，缸壁厚度t可按厚壁筒公式确定，不必参加优化。因此，在优化设计中的设计变量一共有5 个。即日、r 、R D 、R T 及R ，。优化解可以有多种组合，不存在唯一解。为了将液压缸的上述结构几何变量和应力集中区的3 向应力计算值联系起来，以液压缸的环壳联解法作为建立数学模型的理论基础，并以第四强度理论计算出当量应力盯。作为评判强度的准则。2 ．2 参数优化由设计变量组成的是一个五维欧氏空间，优化目标是在保证计算当量应力低于材料许用应力的情况下，缸体重量最轻。但工程实际问题往往不能完全由数学计算来确定，而要考虑多方面的因素进行综合判断。上述情况决定了结构优化设计的结果不是一组唯一的最优解，而是提供多组优化解，需进一步分析确定。2 ．2 ．1 约束条件采用复合形法作为优化方法，初始顶点用随机方法产生。根据原设计的装配尺寸、加工工艺的可能性及一般设计和使用经验，确定5 个设计变量的变量范围作为约束条件。而应力的约束条件为在法兰过渡区的最大计算当量应力y 。小于许用应力l ，G 。，缸底过渡区的最大计算当量应力H 小于许用应力y 氆，法兰支承面上的挤压应力y M 小于许用挤压应力[ 1 ，M ] 。它们可以分别以下列不等式约柬来表示- l x l 0 2 0 ～ l ，D _ y c l ≤0 1 - l x l 0 2 0 一l ，_ 广l ，晓≤0 2 - l x l 0 加≤l ，旷[ y M ] ≤0 3 2 0 1 2 ／9经验及所选材料性能来确定。2 ．2 ．2目标函数经过分析，选择当量应力在不超过给定许用应力条件下，缸体重量最轻 体积最小 为目标函数，根据几何关系，建立包含主要设计变量的计算液压缸体积近似公式如下V w [ H R 1 2 - R 0 2 L R 2 2 - - R 0 2 T R 2 * - - - R o e ] R o R T 2 尺趣D 2 4 复合形的顶点数为2 n 个，即1 0 个。迭代次数为2 0 0 次，目标函数的精度为B 5 0 0c m 3 。2 ．2 ．3 优化结果及分析选取了不同的许用应力值，以适应于选用不同的材料，得出4 组优化组合。从上述优化结果可以看出1 由于设计变量共5 个，它们之间的组合可以有无数组，而它们与最大应力的关系以及它们与目标函数间的关系都不是简单的线性关系。因此，在保持合理应力水平情况下，液压缸的重量有可能减轻1 5 ％左右。2 可以初步看出5 个设计变量可能的变化范围缸底厚度丁多在4 0 ～5 0a m 之间变化，有减薄的可能法兰厚度日也有减薄的可能，虽然应力集中区应力值会上升，但这不是唯一，甚至不是最重要的因素缸底过渡圆弧半径尺t 对该处应力集中影响很大，其较优值均在2 5a m 以上，比原设计2 0 { 3 1 1 , 1 有所增大缸法兰区过渡圆弧半径对该处应力集中影响也很大法兰外径2 R 。的变小，可以减小法兰处弯矩，但使法兰支承面挤压应力增大。上述5 个设计变量相互间有着密切的关系，因此要从总的关系中去进一步分析各个单个因素的影响，从而在总的组合关系中去探索单个因素的最佳值。3 由于法兰区过渡形线不是单纯的圆弧。因此．在环壳联解法的弹性理论解中无法反映此形线的影响，需专门对过渡形线的优化进行研究。4 在弹性理论解中，由于采用了若干简化假设．因此，只有一个近似解析解，而不是精确的解析解。此外，弹性理论解中，计算的是缸筒部分及缸底和法兰两表1 优化结果数据许用应力，M P a计算应力撤P a优化后尺寸／c m体积／m 3号[ 1 ，w ]y c l】，位y Ml ，Dl ，T只．H丁尺DR ty原设计1 0 91 3 11 4 1 ．81 3 96 66 73 ．52 07 ．4 411 0 01 3 01 2 59 7 ，31 2 9 ．81 2 4 ．81 3 7 ，86 4 ．75 0 ，53 ．63 0 ．16 ．6 221 2 01 3 01 4 01 0 31 3 01 3 9 ．61 3 5 ，45 7 ．22 8 ．81 ．53 4 ．55 ．5 l3l o o1 4 01 4 08 9 ．11 3 3 ．41 4 01 3 8 ．66 1 ．74 04 ．62 6 ．86 ．0 541 0 01 5 01 4 09 81 4 4 ．41 3 9 ．51 3 7 ．24 0 ．24 0 ，63 ．1 42 7 ．15 ．5 7机械制造5 0 卷第5 7 7 期盛 万方数据 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表2 有限元复核结果数据主要结构参数／e r a挤压应法兰区最大应力／M P a缸底进水减轻口最大应重量号日r尺DR t力，M P a有限元解弹性理论解力，M P a，tR ，11 3 7 ．86 4 ．75 0 ．53 ．63 0 ．19 7 ．31 2 9 ．81 6 0 ．99 6 ．87 ．221 3 5 ．45 7 ．22 8 ．81 ．53 4 ．51 0 3 ．51 3 01 8 1 ．42 3 01 5 _ 831 3 8 ．66 1 ．74 04 ．62 6 ．88 9 ．11 8 81 4 01 4 7 ．71 1 ．641 3 7 ．24 0 ．24 0 ．63 ．1 42 7 ．19 81 7 6 ．71 3 9 ．51 4 2 ．41 3 ．94 结束语将弹性理论、优化理论和有限元法结合起来。对液压缸进行优化设计，效果显著。1 弹性理论优化解也必然存在若干组，而不是唯一解。这些解都是相对的优化解．它们提供个应力集中区的应力分布，对于缸底和法兰其它部分了综合分析．并从中找出最优的又实际可行的设计变的应力分布尚未涉及，故上述优化方案应采用有限元量。法进行复核。2 优化设计能使液压缸在保持合理应力水平情3有很元法复核况下，液压缸的重量有可能减轻1 5 ％左右。3 在弹性理论解中，由于采用了若干简化假设，在液压缸的有限元法计算中，单元划分时采用四因此，只有一个近似解析解，而不是精确的解析解。优边形8 节点等参元，网格自动生成。化方案应采用有限元法进行复核。从上述有限元复核结果可以看出4 有限元法复核结果表明，数据号1 、3 、4 的应力1 数据号1 、3 、4 的应力状况都比原设计方案要状况都比原设计方案要好，重量均可减轻。好，重量均可减轻。参考文献2 数据号2 的缸底减薄到2 8 ．8e m ，虽然缸底过[ 1 ]俞新陆．液压机的设计与应用[ M ] ．北京机械工业出版渡区应力并不高，但受载后缸底挠度太大，使缸底进水社．2 0 0 7 ．口成喇叭口状变形，应力很大。有限元计算结果表明，[ 2 ]姜佩东．液压与气动技术[ M ] ．北京高等教育出版社，该处最大当量应力达到2 3 0M P a ，形成主要薄弱环节。2 0 0 6 ．因此，缶工底厚度不宜减的太薄。[ 3 ]贾铭新．液压传动与控制[ M ] ．北京国防工业出版社，3 数据号2 还表明，法兰过渡区圆弧半径过小2 0 0 6 ．时，该处用有限元计算的最大应力值急剧上升，而这一[ 4 ]骆简文．液压传动与控制[ M ] ．重庆重庆大学出版社，点在弹性理论解中反映较差，是后者的缺点。若进行过2 0 0 3 ．渡形线的优化，可以进一步改善法兰过渡区的应力集[ 5 ]潭尹耕．液压实验设备与测试技术[ M ] ．北京北京理工中情况。大学出版社。1 9 8 9 ．4 有限元复核结果一方面验证了弹性理论解的[ 6 ]段长宝．液压元件的寿命试验[ M ] ．北京国防工业出版优化结果，缩小了各设计变量优化值的取值范围，另一料1 9 9 0方面，可以得到整个液压缸的应力分布全貌，为进一步△分析提供了基础。 编辑丁罡广州机械院研究中心项目通过验收近日．中国机械工业联合会组织专家对广州机械院承担的“机械工业润滑工程技术研究中心”进行了验收。经过认真审阅验收材料、现场实地考察和质询．专家组认为该工程中心已经完成了各项建设任务，达到预期目标，同意通过验收。“机械工业润滑工程技术研究中心”是广州机械院润滑产业的重大科研服务平台。通过开展设备润滑状态检测技术、设备磨损故障诊断技术、金属加工润滑材料、装备制造防锈技术、冶金和汽车制造润滑技术等的研究开发，完成了该工程中心的软硬件建设，形成了承担国家和省市重大科研项目的能力，培养出一批高素质人才和研发团队，发挥了技术咨询、技术培训、技术辐射等开放服务功能，促进了工业润滑技术的工程化转化及成果推广，推动了工业润滑行业整体的技术进步．取得了良好的社会效益和经济效益。 舒空盛机械制造5 0 卷第5 7 7 期山高发布新型非标双头齿轮滚刀山高刀具上海有限公司日前宣布推出全新的双头齿轮滚刀．这款设计独特的刀具可以充分发挥现代数控齿轮加工机床不断增大的机床功率和转速的性能，帮助齿轮传动及其相关领域制造商大幅提高生产效率。据悉，这款双头齿轮滚刀由山高意大利公司负责研发的．而该公司自2 0 0 5 年首次开发出公司第一款可转位齿轮滚刀以来．在应用创新的方法来解决齿轮加工难题方面一直处于领先地位。之前，山高意大利分公司模块化概念齿轮滚刀也曾取得巨大成功．此次公司通过改变原有的设计进行创新．把齿轮滚刀由单头分割为双头的设计，可以保证在原有刀具的质量和可靠性的前提下，使客户的生产周期大幅降低。经过测试，这款新型刀具取代现有的H S S 齿轮滚刀．可将零件的加工周期从2 2 h 缩短至3 h ，节省8 5 ％以上的时间。 高山2 0 1 2 ／9 画 万方数据 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m