多級(jí)液壓缸強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析

1、多級(jí)液壓缸強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析作者：鐘愛清胡學(xué)貴汪波等來源：農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備2018年第9期摘要：液壓缸作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行元件，既受內(nèi)壓作用，同時(shí)承受外載作用，因此對(duì) 于細(xì)長(zhǎng)桿件的液壓缸而言，需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析校核，以保證液壓缸設(shè)計(jì)的安全性 和可靠性。利用ANSYS有限元分析軟件建立多級(jí)液壓缸三維模型，對(duì)多級(jí)液壓缸進(jìn)行強(qiáng)度校核 和穩(wěn)定性分析。關(guān)鍵詞：多級(jí)液壓缸；臨界載荷；線性屈曲；等效應(yīng)力1分析依據(jù)井架起升液壓缸為三級(jí)液壓缸（圖1），由缸筒和第一級(jí)活塞桿、第二級(jí)活塞桿和第三級(jí) 活塞桿（最小桿）、密封圈等組成，油缸兩端與井架的采用銷軸鉸接方式進(jìn)行連接。油缸伸出 時(shí)，先出第一級(jí)，再出第二級(jí)

2、，最后出第三級(jí)活塞桿；回縮時(shí)先收第三級(jí)，再收第二級(jí)，最后 收第一級(jí)活塞桿。缸筒材質(zhì)一般采用27SiMn （調(diào)質(zhì)），活塞材質(zhì)為45號(hào)鋼（正火態(tài)）。作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部件，既受內(nèi)壓作用，同時(shí)承受外載作用，因此對(duì)于細(xì)長(zhǎng)桿件的 液壓缸而言，需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析校核，以保證液壓缸設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。為 確保計(jì)算的合理性和準(zhǔn)確性，參考標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范如下：1）機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第2篇機(jī)械工程材料第5版；2）液壓缸試驗(yàn)方法GB/T15622-2005；3）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003。2材料力學(xué)性能根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第2篇機(jī)械工程材料（第5版，聞邦椿主編）確定鋼號(hào)27SiMn （調(diào)質(zhì)）和45#

3、 （正火）的材料力學(xué)性能如下表1所示。3有限元模型的建立船榴博魏*itSSK 狀 I3.1計(jì)算約定1）對(duì)多級(jí)液壓缸，取全部活塞伸出時(shí)達(dá)到最大長(zhǎng)度的狀態(tài)為計(jì)算狀態(tài)，同時(shí)忽略密封圈、 局部油孔、凸臺(tái)、倒角、焊縫的影響，并假定焊接過程是可靠的，不存在焊接缺陷和未焊牢的 情況。2）在不影響分析結(jié)果的情況下，基于簡(jiǎn)化計(jì)算的目的，將液壓缸各部分材料視為各向同性、 勻質(zhì)的理想彈塑性材料。3）液壓承載受壓后，由于活塞與缸筒、活塞桿與套環(huán)間存在間隙，活塞伸出后必然會(huì)有折 曲，因此液壓缸本質(zhì)是一個(gè)變截面有初始彎曲的承受內(nèi)壓的壓桿縱橫彎曲問題，為考慮各因素 對(duì)液壓缸臨界載荷的影響，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-

4、2003，取液壓缸總長(zhǎng)1/1000作為 彎曲缺陷進(jìn)行穩(wěn)定性分析。4）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用實(shí)體單元和板殼單元混合建立的多級(jí)缸有限元分析模型如圖2所示。3.2載荷及約束關(guān)系根據(jù)多級(jí)液壓缸的受力關(guān)系，采用面壓力加載方式對(duì)液壓缸筒體無桿腔實(shí)施加載，加載方 式如圖3所示。液壓缸筒體與活塞之間為滑動(dòng)連接，通過在有限元分析模型建立筒體表面與活塞表面間的 摩擦接觸模型。液壓缸兩端與井架之間為銷軸鉸接，在有限元建模中，采用銷軸方向旋轉(zhuǎn)自由 度釋放、其余自由度約束的形式建立液壓缸兩端的邊界約束條件。隊(duì)橫螂荷媽稅扣瞰 亦it4強(qiáng)度校核根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)液壓缸試驗(yàn)方法：GB/T15622-2005，對(duì)液壓缸進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，當(dāng)

5、液壓 缸活塞處于行程極限位置（全行程長(zhǎng)度），向工作腔內(nèi)施加1.5倍的工作壓力。#1峭濟(jì)吐而帛旦出站7蛙廂網(wǎng)1點(diǎn)姑1古畫fr 山毗用鼎4+ /根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核要求，當(dāng)選用鋼材os/ob小于0.7時(shí)，取安全系 數(shù)為1.48，得o=os/1.48；當(dāng)選用鋼材。s/ob大于0.7時(shí)，鋼材的基本許用應(yīng)力按下式 計(jì)算，即：門岫舐-LKYT a根據(jù)圖4應(yīng)力分布情況，對(duì)液壓缸缸體和活塞桿分布進(jìn)行強(qiáng)度校核，如各部件最大等效應(yīng) 力均小于許用應(yīng)力，表明液壓缸強(qiáng)度滿足要求。5穩(wěn)定性分析鑒于線性屈曲分析無法考慮結(jié)構(gòu)的缺陷，獲得臨界載荷一般為結(jié)構(gòu)承載能力的上限，作為 設(shè)計(jì)參考偏于危險(xiǎn)，因此，在考慮結(jié)構(gòu)尺寸、

6、裝配缺陷、材料與幾何非線性等因素的影響，對(duì) 多級(jí)液壓油缸活塞全伸狀態(tài)進(jìn)行非線性屈曲穩(wěn)定性分析。圖5 (a)和圖5 (b)分別為液壓缸活塞全伸情況下的屈曲變形圖及載荷-橫向位移曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)液壓缸軸向載荷Pcr達(dá)到一定值時(shí)，液壓缸將發(fā)生失穩(wěn)，進(jìn)而使得活 塞桿失效，最大橫向變形位于第三級(jí)活塞桿和第二級(jí)活塞桿套接處，此處臨界應(yīng)力達(dá)到材料屈 服極限。根據(jù)液壓缸受力狀況，可以計(jì)算，在工作壓力下通過第三級(jí)活塞桿的工作載荷可以獲得液 壓缸的工作載荷，即：因此，多級(jí)液壓缸處于活塞全伸時(shí)，其穩(wěn)定安全系數(shù)K=Pcr/F大于鋼結(jié)構(gòu)彈性失穩(wěn)安全系 數(shù)2.0，彈塑性失穩(wěn)安全系數(shù)1.5，說明該工況下液壓缸及其

7、活塞桿是穩(wěn)定的。I捫潔莖全作建定住會(huì)桁舜6結(jié)論通過對(duì)活塞全伸狀態(tài)下的液壓缸進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定分析，可以給出以下結(jié)論：多級(jí)伸縮油缸在試驗(yàn)壓力作用下，液壓缸缸體和活塞桿的最大等效Mises應(yīng)力均小于對(duì) 應(yīng)材料許用應(yīng)力，表明液壓缸強(qiáng)度滿足要求。多級(jí)伸縮油缸在最大工作壓力作用下的穩(wěn)定安全系數(shù)K，大于鋼結(jié)構(gòu)彈性失穩(wěn)安全系數(shù) 2.0，彈塑性失穩(wěn)安全系數(shù)1.5，說明該工況下液壓缸及其活塞桿是穩(wěn)定的。根據(jù)多級(jí)液壓的伸 縮狀況，液壓缸的承載能力隨第三級(jí)活塞桿伸出長(zhǎng)度的增加而降低，顯然，其他工況下的液壓 缸及其活塞桿也是穩(wěn)定的。參考文獻(xiàn)邢靜忠.ANSYS分析實(shí)例與工程應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.張紅松.ANS