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2 0 1 0年 5月 第 3 8卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS Ma y 2 01 0 V0 1 . 3 8 No .1 0 D O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 3 8 8 1 . 2 0 1 0 . 1 0 . 0 1 6 液压集成块的有限元结构分析 吉慧丹 ,林 义忠 ,张忠南 ,阳平 广西大学机械工程学院 ,广西南宁 5 3 0 0 0 4 摘要应用 A N S Y S软件对水轮机电液调速器的液压集成块进行结构静力学分析。并采用 A N S Y S的 A P D L参数化语言 进行建模,计算出在许用应力 1 9 7 MP a条件下,液压集成块两孔道间距的理论最小值为 0 . 6 4 7 3 5 l n n l ,为集成块孔道间距 设计提供参考。 关键词液压集成块;A N S Y S ;优化 中图分类号T H1 3 7 . 8 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 0 0 4 6 3 The Fi n i t e El e me nt St r u c t ur e Ana l y s i s o f Hy d r a ul i c I n t e g r a t e d Bl o c k J I Hu i d a n,L I N Yi z h o n g ,Z HANG Z h o n g n a n,Y AN G P i n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,G u a n g x i U n i v e r s i t y ,N a n n i n g G u a n g x i 5 3 0 0 0 4,C h i n a A b s t r a c t S t r u c t u r a l s t a t i c s a n aly s i s e s o n h y d r a u l i c i n t e g r a t e d b l o c k o f t u r b i n e g o v e r n o r w e r e m a d e u s i n g F E M fi n i t e e l e me n t m e t h o d s o f t w a r e A N S Y S .Mo d e l i n g w a s r e a l i z e d u s i n g A P D L t o c a l c u l a t e t h e t h e o r e t i c m i n i m u m v al u e b e t w e e n t w o c h a n n e l s a n d t h e r e s ul t wa s 0. 64 7 3 5 mi l l u nd e r a l l o wa bl e s t r e s s 1 9 7 MPa . I t pr o v i d e s r e f e r e nc e f o r t he de s i g n o f c ha nn e l s d i s t a nc e o f h y dr a ul i c i n t e g r a t e d b l o c k s . Ke y wo r d s Hy d r a u l i c i n t e gra t e d b l o c k;ANS YS;Op t i mi z a t i o n 液压集成块在液压行业得到广泛应用,但是集成 块内部孔道繁多,空间纵横交错 ,孔之间还有干涉限 制,因此为了使设计出来的集成块能可靠的工作 ,应 该对其进行力学分析。作者针对一发电设备企业设计 出的水轮机电液调速系统 的液压集成块进行了 A N S Y S 静力分析 ,为集成块的可靠工作提供了依据 ,并 且为后续的集成块优化设计 提供了条件。同时 ,还研 究 了4 5钢正火条件下 集成块 两孔 道 间在应力极 限下 的理论最小 距离 ,为集 成块 孔 道 间距 的设计 提 供参 考 。 1 液压 系统工作原理 图 1 电液调速器液压系统原理简图 图 1 是该液压系统工作原理简图 ,液压集成块 集 成 了4个阀 ,一个 三位四通 电磁换 向阀 ,两个 电磁球 阀,一个液压锁 。作者把液压系统 的工作过程 分为 4 个工况快进,快退,慢进 ,慢退。其中,快进和快 退是用来开机和关机的,慢进和慢退是在实际频率偏 离额定频率一定值时用来调节水轮机的导页开度的, 慢进是增加导叶的开度,增加水流对转子的冲力,使 水轮机的转速加大,从而使交流电的频率增加;慢退 时情况正好相反 。 2集成块静力学分析 由于液压集成块只是长方体及孔路结构 ,用 A N - S Y S建立几何模型相对简单 ,因此作者直接在 A N S Y S 中建立几何实体模型并进行网格划分,从而避免了从 外部导入模型容易 出错 的问题 。 2 . 1 液 压 集成块 几何模 型 的 简化 该集成块底面通过 4个螺栓固定安装 ,各 阀的螺 栓孔最终会装上螺栓与阀连接,考虑螺栓和液压集成 块具有近似 的弹性模 量 ,因此 把所有 螺栓孔 省略 掉。 各工艺孔用 螺塞 封 堵 ,所 以也 省略 掉 近似螺 塞 的长 度 。 2 . 2有 限元模 型 液压集成 块实体模 型较复杂 ,如果用 六面体 收稿 日期 2 0 0 9- 0 5 2 2 基金项目广西大学科研基金项 目 X 0 6 1 1 7 9 作者简介 吉慧丹 1 9 8 6 一 ,女 ,硕士研究生 ,主要研究方 向为机 电液一体化 。电话 1 3 9 7 8 1 7 0 6 9 4 ,Em a i l 2 1 5 9 1 9 7 9 9 q q. c o m。 第 1 O期 吉慧丹 等液压集成块的有限元结构分析 4 7 s o l i d 9 5单元划分 网格 的话 ,很 可能 因为模 型 的复 杂 性 ,六面体划分不出来 ,而全部或部分退化成四面体 单元 ,这样会严 重影响计 算精 度。 因此 通 过 比较 , 综合考虑现有的可利用资 源程度以及所要求的计算 精度 ,采 用 s o l i d 9 2单 元 , 自由网格划分 。划分 网格 后整个模 型有 1 5 5 5 7 2个 节 点 ,1 0 9 5 7 3个 单 元 。 有限元模 型如图 2 。 2 . 3加 栽 图2 液压集成块 有限元模型 施加位移 载荷 。液压集 成块通过底面 的螺栓连接 固定在 支架上 ,因此可 以对集成块 底面 4条边施加 全 约束。 施加 压力载荷。液压集成块的载荷主要来 自3个 方 面 1 阀腔 中的油压 ; 2 液压 冲击 ; 3 液 压机工作时引起的动载荷。该液压系统液压冲击数值 不大,有限元分析时可以不予考虑;而且液压系统中 接有蓄能器 ,不必考虑动载因素的影响。液压集成块 流道长度较短 ,且经过计算 ,得出由于孑 L 路的突变引 起的局部压力损失数值并不大,因此加载时不考虑孑 L 路中的压力损失。以上对载荷进行的简化是在要求的 精度范围及研究的侧重点的基础上进行的,并不导致 分析出错。阀腔中的压力油来 自液压泵 ,液压泵的额 定压力为 2 5 M P a 。表 1列 出各 个 阀腔 的压 力值。 注 三位 五通 大 调 节 阀 1阀 ,小 开 球 阀 2阀 , 液 压锁 3阀 ,小关球 阀 4阀 表 1 各 阀腔压 力值 MP a 快进 快退 慢进 慢退 快进 快退 慢进 慢退 1阀 P口 2 5 2 5 2 5 2 5 3阀 B口0 . 5 2 5 0 . 5 2 5 1阀 A口 2 5 O . 5 2 5 0 . 5 3阀 T口0 0 2 5 0 . 5 1阀 B口 0 . 5 2 5 0 . 5 2 5 d阀 P口 2 5 2 5 2 5 2 5 1 f阋T A 口 0 . 5 0 . 5 O 0 4阀 A 口0 0 0 . 5 2 5 1阀 T B口 0 . 5 0 . 5 0 0 4阀 B口0 0 0 . 5 0 2阀 P口 2 5 2 5 2 5 2 5 进油 口 2 5 2 5 2 5 2 5 2阀 A 口 O O 2 5 O . 5 1阀回油0 . 5 0 . 5 0 0 2阀 B口0 0 0 0 . 5 2阀回油0 0 0 . 5 0 3阀 P口 0 0 0 . 5 2 5 4阀回油0 0 0 0 5 3阀 A 口 2 5 0 . 5 2 5 0 . 5 2 . 4求解分析 作者对液 压集 成 块进 行 静力 学 分 析 ,分 4个 工 况 ,见表 1 。各工况下液压集成 块的应力 及位 移图如 图 3 1 0所示 。表 2列出 了各工况下的应力 、位 移的 最 大值 。 N g O3 0 8 .1 . 3, e 。 . 62 G . O8 ‘ ’ 7 4 1 0 B‘ ’ ’ 孵 n Ⅻ9 图 5 快进工况 V o n mi s e s 应力云图 集成 块 用 的是 4 5钢 正 火 处 理 ,取 安 全 系 数 为 N l{ I £ o 8 .据 控 - 8 . 6,5 4 “ 0 8 . 9 J . . q 08 .U ∞ 9 图4 快退工况 V o n m i s e s 应力云图 1 . 8 ,计算出许用应力为 1 9 7 M P a 。由分析知,4个工 况下液压集成块的应力都小于许用应力,可见集成块 是安 全的。 表 2各工况下液压集成块应 力位移统计 表 工况 应力值/ M P a 位移值/ m 工况应力值/ M P a位移值/ m 快进 1 1 2 1 . 7 9 e 一 3 慢进 1 1 2 1 . 7 8 e 一 3 快退 1 1 8 1 . 7 7 e 一 3 慢退 1 1 7 1 . 7 6 e 一 3 4 8 机床与液压 第 3 8卷 N 1 9 - Q 3 . 1 92 - 0 3 . 箝 3 1 - Q 3 . 1 3 r 9 . o a 1 伯 6 图 5 快进工况位移云图 N . l r / E 一 . 5 ’ 旺 一 O ’ . 4 g - 03 , 15 7B . 00 1 “ 7 1 图6 快退工况位移云图 .1 2 ∞ 8 ‘ ⋯ .3 “ t - t C l e ⋯ 一 . l l m 一~ .。 7● M ● ⋯~ .1l 9 图7 慢进工况 V o n mi s e s 应力云图 .1 3 l t. o ● . a . 6s } 州 l } 口 e , l I 傩 图8 慢退工况 V o n m i s e s 应力云图 搬 豫e , I , Y G 】 .1 9 髓 一 0 } . 5 Z - 0 3 . I Z- G3 . 。 ol , ● , . C 1 “ / 84 图9 慢进工况位移云图 图 l O 慢退工况位移云图 3 最小孔道 间距计算 在传统液压集成块设计 中 ,一般孔道 的距离都取 保守值 ,即大于等于 3 m m,这里作 者给 出一个求 解 孔道距离最小值 的例子,即应用 A N S Y S的 A P D L参 数化语 言进行 建模求解 ,在设计优化模块 中实现 。优 化 目标取两孔 的距离 孔半径取 5 m m ,设计 变量 也取为 两孔 的距 离 ,即 目标变量等 于设计变量 ,状态 变量设为应力 s m a x ,根据给定 的条件 ,集成块材料 为4 5钢正火处理 ,许用应力为 1 9 7 MP a ,则状态变 量必须小 于 1 9 7 M P a 。下 面给出 A P D L程序 后处 理 及优化部分 /POS T1 ET ABL E,s ma x _i ,NMI S C,5 ES ORT, ET AB, S MAX _I ,0,1, , l GE T,s ma x i ,S ORT, ,MAX ET ABL E, s ma x _j ,NMI S C,1 0 E S O R T,E T AB,S MAx j ,0,1 , , G E T,s ma x j ,S O R T, ,MAX E TABLE, s ma x k,NMI S C, 1 5 E SORT, E TAB,S MAX _ K,0,1, , GET, s ma x k, S ORT, , MAX E T A B L E,s ma x _ I ,N MI s C,2 0 下转第 5 4页 5 4 机床与液压 第 3 8卷 点,采用基于虚拟仪器 的测试系统 ,采用计算机和 多功能数据采集卡作为仪器基本构成单元。硬件的主 荸 璺 部 萼l 笾 荤 凳 H囊 餐 韶 H 磊 黎 紫 擎 I 计 算 机 、传感器、信号 L 。 卞 一 调理单元、程控切换单 笪 呈 塑 一 ._』 1 . 一 元、 多功能数据采集卡,I 壁 堡 一 j ’ 垄 _几_ 硬件的组成框 图如 图 2 图2 硬件组成框图 所示 。 各种传感器用于接收、感应测试过程中各种待测 物理量 ,如压力、流量、时间等。信号调理单元主要 由传感器配套电路、信号处理 如信号放大或衰减、 信号滤波 、信号屏蔽 、限幅、隔离 等单 元组成 ,用 于将传感器输出的不规则信号变换成符合 A / D工作要 求的规则信号。数据采集接口卡由模拟多路开关、信 号变换预处理单元组成 。信 号变换预处理单元 主要完 成不同种类信号的处理,为微机的数据采集做准备, 该单元主要由一次仪表电路、传感器配接电路、信号 滤波电路、放大隔离电路等组成,使各种被测对象转 变成可供使用的模拟量。在具体结构上,采用模块化 积木式设计。计算机依照程序控制 I c式微型继电器的 通断,继而完成对测试信号的分时分批采集。 3 . 2 . 3 测试系统软件 在上述以工控计 算机 为 核心的硬件平台支持下 ,检 测系统通过 组合不 同功 能的 测试软件来实现多种仪器的 功能。基于虚拟仪器的测试 软件主要分为测控系统管理 层 、应 用 软 件 开 发环 境 层 、 仪器驱动层和 I / O接 口层。 软件结构如图3所示。 结合部队的实际需要 , 作者开发 了数字示 波器 、数 字 I / O、计 数 器 、计 时 器 、 信号分析仪等模块。通过面 板 可 进 行 采 集 卡 的参 数 设 仪器 控制 对象 选择 结 果 分析, 显 示 测控 系 统管 理层 应 用 软件 开发 环境 层 一 串 I 1 设 备驱 动程 序 D AQ 驱 动程 序 测控系统管理层 ’ 1 I , o 接口 层 I f 测控 对象 f 图3 测试系统软件结构 置 ,初始化和通道选择 ,以及数 字 [ / 0、计数器 、计 时器、信号分析仪的各种设置。 4结论 介绍了液压 C A T技术、液压 C A T系统的组成和发 展现状以及液压 C A T技术在某型高炮炮闩液压润滑系 统测试 中的应用。通 过测 控软件控制交 流变频器 ,实 现了测试的自动化,采用虚拟仪器技术简化了测试系 统设备,降低了成本。经试验 ,该测试系统符合该高 炮的相关测试要求 ,操作简便,适合部队需求。 参考文献 【 1 】雷天觉, 杨尔庄, 李寿刚. 新编液压工程手册[ M] . 北京 北京理工大学出版社 , 1 9 9 8 . 【 2 】江小霞, 林少芬, 李叶妮, 等. 工程机械液压测试系统的 研 发与应用 [ J ] . 福州 大学学报 自然科学 版, 2 0 0 8 1 0 7 0 4 7 0 8 . 【 3 】时连君 , 李新平. 基于 C A T的大型液压元件测试系统的 研制[ J ] . 液压与气动 , 2 0 0 9 5 2 4 2 6 . 【 4 】 胡仁喜 , 王恒海 , 齐东明, 等. 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OP VAR, C, DV,0, 1 0,0. 01, OP VAR, S MAX ,S V, , 1 9 7 0 O 0 0 0 0,0 . 01, OP VAR, L,OB J, , ,0 . 01, OP TYP E, S UBP OP S UB P,3 0 OP 在优化过程中 ,程序实 际循环 8次 。优化结果两 孑 L 最优距 离为 0 . 6 4 7 3 5 m m,即在 许用 应力 1 9 7 MP a 的条件下允许的最小距离。距离最小时,应力值为 1 9 3 . 5 8 M P a 。特别说 明,在实际设计 中,还要考 虑加 工工艺 等的影 响 ,并要考虑安全系数 。 4结束语 作 者应用有 限元软 件 A N S Y S对 液 压集成 块 的结 构进行静力学分析 ,并计算 了一定条件下集成块两孔 道间距 的允许最小值 ,为液压集成块 的设计质量提供 了参考 ,同时也对液压集成块 的结构优化具有一定的 指导意义 。 参考文献 【 1 】 章宏甲, 黄宜. 液压传动[ M] . 北京 机械工业 出版社, 2 0 04. 【 2 】 罗经. 液压集成块孔道流场性能分析与研究[ D ] . 景德 镇 景德镇陶瓷学院, 2 0 0 5 . 6 . 上接第 1 0 0页 【 4 】姚碎全. 浅谈液压缸密封件的装配[ J ] . 液压与气动, 2 0 0 1 2 1 31 4 . 【 5 】徐莹, 况良华 , 杨波, 等. 摩托车发动机油封渗油的原因 及其防范措施[ J ] . 液压与气动, 2 0 0 2 1 1 3 8 4 0 . 【 6 】 德 M u l l e r H K , 英 N a u B S . 流体密封技术 原理与 应用[ M] . 程传庆, 译. 北京 机械工业出版社, 2 0 0 2 . 7 .
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