基于ANSYS Workbench叶片式摆动液压马达强度分析.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3卷 第 7 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 4 3 基于 A N S Y S Wo r k b e n c h叶片式摆动液压马达强度分析 王斌 ，王 昌 ， 付建 军 内蒙古科技 大学机械工程学院，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 摘要 针对某钢厂叶片式摆动液压马达结构的安全性问题 ，利用 P r o ／ E软件建立马达的三维模型，并导入有限元软件 A N S Y S Wo r k b e n c h中，采用软件中的静态结构分析模块对马达强度进行应力应变及接触状态分析，得出马达的应力分布和 变形情况 ，结果表明马达的抗变形能力和强度能够满足生产要求。通过马达的实际压力油作用下的相关零件变形试验对 比，确定了马达实际变形和理论分析基本一致，表明在 A N S Y S Wo r k b e n c h中建立的叶片式摆动液压马达模型是准确且 可信的。 关键词 叶片式摆动液压马达 ；A N S Y S Wo r k b e n c h ；强度分析 中图分类号T H 1 3 7 ． 5 1 文献标志码 A 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 7 - 1 6 8 - 4 S t r e n g t h Ana l y s i s o f Hy d r a ul i c Ro t a r y Va n e Ac t ua t o r s Ba s e d o n ANSYS W o r k be nc h WA N G B i n ． WA N G C h a n g ，F U J i a n j L I D Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o l ， I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， B a o t o u I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 1 0，C h i n a A b s t r a c t A i me d a t t h e p r o b l e m o f s t r u c t u r a l s a f e t y o f h y d r a u l i c r o t a r y v a n e a c t u a t o r s o f o n e s t e e l p l a n t ， t h e t h r e e d i m e n s i o n a l 3 一 Dmo d e l o f t h e h y d r a u l i c r o t a r y v a n e a c t u a t o r s w a s c r e a t e d b y u s i n g t h e P r o ／ E S o f t w a r e ， a n d t r a n s m i t t e d i n t o t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s F E As o f t w a r e A N S Y S Wo r k b e n c h ． B y u s i n g t h e F E A s o f t w a r e w i t h t h e s t a t i c s t r u c t u r a l a n a l y s i s mo d u l e ， t h e s t r e s s ，s t r a i n a n d c o n t a c t s t a t e o f a c t u a t o r s we r e a n a l y z e d，a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n a n d d e f o r ma t i o n c o n d i t i o n s w e r e o b t a i n e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a n t i - d e f o rm a t i o n a n d i n t e n s i t y p e r f o rm a n c e o f t h e a c t u a t o r s c a n me e t r e q u i r e me n t s o f p r o d u c t i o n ．B y c o mp a r i n g t h e r e s u l t o f d e f o r ma t i o n t e s t o n r e l a t e d p a r t s u nd e r a c t ua l o i l pr es s u r e wi t h t h e t h e o r y ANS YS W o r k be n c h e s ’r e s u h，t h e a c t ual de f o r ma t i o n o f t he a c t ua t o r s i s ba s i c all y c o ns i s t e nt wi t h t he t h e o r e t i c a l a na l y s i s ．I t a l s o s h o ws t h a t t he mo de l o f t he h y dr a ul i c r o t a r y a c t u a t o r s c r ea t e d by ANS YS W o r k b e nc h s o f t wa r e i s c o r r e c t a nd r e l i a b l e ． Ke y w o r d s H y d r a u l i c r o t a r y v a n e a c t u a t o r s R V A ；A N S Y S Wo r k b e n c h ； S t r e n g t h A n a l y s i s s 0前 言 摆动液压 马达 又 称摆 动 液压 缸 ，它 是 液压 负 载 模拟器及飞行姿态仿真转 台中最重要的执行元件之 一 ⋯ ；它是输 出轴能作往复摆动 的液压执行元 件， 输入量是 压 力 和流量 ，输 出量是 转矩 和 角 速度 、角 位移 ，旋转 角一般 小 于 3 6 0 。 。摆 动液 压 马达最 突 出 的优点是 能使负 载从 直线 运 动直 接获 得往 复摆 动 运 动 ， 无 需任何 变速机 构。由于能使输 出轴在较低 的转 速下产生很 大的扭矩 、平稳 的角速度 、角位移 ，马达 所产生的扭矩与质量和尺寸 比值是很高的，可以说 摆 动液压 马达是 把 压力 能转 变成 转矩 最 合理 和最 紧 凑的装置。按结构形式分类 ，摆动液压马达大体可 分为叶片式和活塞式两大类。叶片式摆动液压马达 以其结构简单，加工制造相对容易 ，工作可靠等获 得 到了非 常广泛 的应用 。 A N S Y S Wo r k b e n c h软件是美 国某公 司开 发的新一 代协 同仿真平 台。它提 出的背景 主要 是传 统 C A D软 件在设计研发 中的不足 ，主要 由 D e s i g n Mo d e l e r 、D e s i g n S i m u l a t i o n 、D e s i gn X p l o r e r 三 个模 块 组 成 。集设 计、仿真、优化于一体 ，便于设计人员随时进入不同 功能模块 之 问进行 双 向参数 互 动调 用 ，使仿 真 相关 的人 、部 门、技术及数 据在统一环境 中协 同工作 ，极 大地提高 了设计研发 的效率 。 本文作者 以某钢厂使用 的叶片式摆 动液 压马达为 对象 ，利用 P r o ／ E软件对其进行 三维建模 ，并 通过程 序接口导入 A N S Y S Wo r k b e n c h软件进行有限元分析 ， 并通过实验验证 了马达强度能够满足实 际生产的要求 ， 也为马达的使用寿命和安全性实际提供了数值依据。 1 摆动液压马达结构及 问题提出 图 1 为 叶片摆动液压马达结构简 图。整个摆动液 压 马达主要 由花键轴 1 、前端 盖 3与后端 盖 9 、缸体 6 、动 叶片 1 2及静 叶 片 1 4等组成 。叶片式 摆动 液压 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 2 - 2 8 作者简介王斌 1 9 6 5 一 ，男 ，副教授 ，主要从事机械设计与制造工艺方面的研究与教学。E - m a i l w b 3 1 6 w b 1 6 3 ． c o rn。 第 7期 王斌 等基于 A N S Y S Wo r k b e n c h叶片式摆动液压马达强度分析 1 7 1 比较大 ，因此首先 用对 壳体 的外表 面进 行 打磨处 理 ， 使其相对比较光滑而不影响测量的结果。同时要对壳 体的变形进行多次测量，每次测量去最大的变形值， 最后在取平均值。千分表安装如图 1 0 所示。 图 1 O 高压腔腔变形示 意图 马达状况用 电液换 向阀控制油路 ，使动叶片 转动到极限角度并顶住 定叶片。高压腔通压力油， 低压 腔通 回油 。调油源 压力 4 、6 、8 、1 0 、1 2 、1 4和 1 6 M P a 。如图 7所示 ，分别 在 2个位置 设 置千分 表 ， 并记 录千 分表 的相应 读 数 ，后 再取 平 均 值 ，实 验 记 录数据 如表 2所示 。 表 2 高压腔变形实验结果 P ／MPa 4 7 8 1 0 1 2 1 4 1 6 表 1 变形量／ m 2 ． 2 7 ． 5 1 5 ． 2 i 0 ． 6 1 8 ． 5 2 8 ． 8 3 1 ． 3 表 2变形量／ t x m - 5 - 9- 1 0 - 1 3 ． 0 1 5 ． 5- 2 0 ． 5 2 2 ． 5 由表 2 可知，叶片式摆动液压马达实测变形最大 为 0 ． 0 3 1 3 m m，实验所得 的变形量 略小 于设计时通 过 A N S Y S Wo r k b e n c h有 限元 计 算 所 得 的 变 形 量 0 ． 0 4 3 m m，但在同一数量级之内。其略小于理论分析结果 的原 因可 能是 有两个 1 在 用 A N S Y S Wo r k b e n c h 对 叶片式摆动液压 马达建模 时忽 视 了一 些次 要 因素 。 2 可能是 由于现场测试环境 的限制 ， 千分 表的安装 位置不 一定恰 在最大变形处 ， 导致 测量 到的数值不 是 最 大变 形值 。 5结论 1 借助 A N S Y S Wo r k b e n c h软件可以清楚地看 到摆动液压马达应力和整体位移分布情况 ，找到了 应力主要集 中区域 以及发生最大变形 的位置。计算 结果 表明 该马达强度满足实际生产要求 。 2 从 马达 接触 状态 图知 ，该 马达 机械 摩擦 损 失 、马 达 的启 动 特 性、低 速 稳 定 性 较 好，系 统 较 稳定 。 3 叶片式摆 动 液压 马达 在满 载荷 作用 下 有应 力集中作用 ，在静叶片与动叶片的密封槽内及与左 右端盖接触 的边缘处，为延长摆动液压马达的使用 寿命 ，对危险部位进行一定的工艺处理是必要的。此 外 ，通过实验的分析 ，验证 了有 限元方 法 的准确性 ， 也 反映出摆 动 液压 马 达在 设计 中的不 足 ，为摆 动液 压 马达结构 设计 优 化 、提 高 它 的性 能提 供 了有 利 的 数 值指导。 参考文献 [ 1 ]陈德套， 张志发． 摆动马达的结构特点及应用 [ J ] ． 液压 气动与密封， 1 9 9 4 ， 1 4 2 2 2 - 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