基于ansys的油箱再制造有限元分析

基于ansys的油箱再制造有限元分析

0液壓油缸再制造技術(shù)可行性分析可持續(xù)發(fā)展和再利用是今天世界的中心主題。再制造具有巨大的資源潛力、顯著的經(jīng)濟效益和顯著的環(huán)境保護功能。已成為先進制造技術(shù)的重要組成部分和發(fā)展方向。近幾年來,隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快,各種工程機械的需求量不斷增加。同時,伴隨著工程機械銷量、保有量的大幅增長,為推進工程機械行業(yè)的節(jié)能減排,需要可持續(xù)的生產(chǎn)和消費方式。工程機械大多屬于大型機器設(shè)備,制造復(fù)雜、耗材巨大、價格昂貴,零部件、總成等壽命的不平衡性顯著,具有巨大的再制造價值潛力,而且量多面廣,是發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)的重要的產(chǎn)品對象,是推進再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點領(lǐng)域。本文選擇了裝載機、挖掘機等工程機械中的重要零部件液壓油缸缸體作為研究對象,應(yīng)用有限元分析法對油缸采用修理尺寸法進行再制造的技術(shù)可行性進行分析,為油缸的再制造提供科學(xué)依據(jù)。液壓油缸(圖1)是裝載機、挖掘機等工程機械中重要的零部件,在產(chǎn)品中起著將液壓能轉(zhuǎn)換成機械能、完成各種運動和作業(yè)的作用,其狀態(tài)優(yōu)劣是保證產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。油缸需求量大、價格昂貴,而且多數(shù)是因缸體內(nèi)表面擦傷而失效。在油缸的總成本中缸體成本約占35%~55%。據(jù)統(tǒng)計,缸體內(nèi)表面磨損量(劃痕深度)一般在0.5~1.0mm內(nèi),主要分布在缸體進油孔端。據(jù)國內(nèi)外文獻報道,液壓油缸缸體的修復(fù)有鑲套、電鍍、噴涂、膠粘等。因此對因失效而報廢的液壓油缸舊件,不僅仍擁有較大的儲備壽命,舊件再利用潛力大,而且還有可行的修復(fù)技術(shù),是工程機械中極具再制造價值的零部件。對失效可修復(fù)零件進行再制造主要有機械加工恢復(fù)和表面工程技術(shù)兩種方法。前者為通過機械加工、附加零件、局部更換、塑性變形等,獲得修理尺寸或標(biāo)準(zhǔn)尺寸,與之相配合零件換新件的再制造技術(shù)方法;后者為利用堆焊、電鍍、噴涂、溶敷等表面工程技術(shù),在零件表面形成覆蓋層,不僅恢復(fù)零件的原有尺寸,還賦予表面新的服役性能,使恢復(fù)后的零件性能達到甚至超過新的零件的再制造技術(shù)方法。液壓油缸的再制造屬于配合件中對孔的尺寸恢復(fù)或配合件配合間隙的恢復(fù),目前兩種方法均有采用。其中,以采用機械加工獲得修理尺寸(即修理尺寸法)和采用電鍍、噴涂等表面工程技術(shù)的恢復(fù)尺寸法為多。所謂修理尺寸法,是指再制造時不考慮原來的設(shè)計尺寸,采用切削加工或其他加工方法恢復(fù)其形狀精度、位置精度、表面粗糙度和其他技術(shù)條件,從而獲得一個新尺寸稱為再制造修理尺寸,而與之相配合的零件,則按再制造修理尺寸配制新件的再制造工藝方法。再制造修理尺寸法是國外再制造企業(yè)普遍采用的工藝方法。采用修理尺寸法可以利用原有的機械加工設(shè)備,不用增加新的專用設(shè)備,生產(chǎn)簡單、經(jīng)濟性好。但是在確定修理尺寸時,由于需要通過切削加工去除表面層厚度,以消除零件表面缺陷及恢復(fù)其形狀精度,會在一定程度上削弱零件的強度或剛度,因此需要考慮零件在結(jié)構(gòu)上或技術(shù)上的再制造可行性。1液壓缸表面織構(gòu)液壓油缸的主要失效模式是缸體內(nèi)表面產(chǎn)生的磨粒磨損,如圖2所示是裝載機動臂油缸缸體內(nèi)表面因磨粒磨損造成的內(nèi)表面的擦傷。從圖2中可以看到,在油缸內(nèi)表面有明顯的因擦傷留下的劃痕。工程機械多用在建筑工地、港口、碼頭、車站、貨場等地方,進行鏟裝或短距離轉(zhuǎn)運松土、沙礫、石塊、煤炭、垃圾等物料,環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜,油缸密封不良或液壓油不干凈時,極易將微小的硬質(zhì)顆粒帶入油缸內(nèi),夾在活塞與缸體的摩擦面之間形成磨粒磨損,其機理是夾在活塞和缸體之間的磨料,在較高應(yīng)力下對表面產(chǎn)生擠壓和切削作用,從而在缸體內(nèi)表面形成與活塞運動方向平行的軸向劃痕。根據(jù)液壓油缸缸體內(nèi)表面的磨損特征,缸體采用修理尺寸法進行再制造,通常采用珩磨+拋光的機械加工方法。首先是對經(jīng)過清洗的缸體進行珩磨,分粗磨和精磨兩道工序,最后再拋光。前者(珩磨)是為消除零件的表面缺陷及其他不均勻磨損,恢復(fù)原有的形狀精度;后者(拋光)為了獲得規(guī)定的表面粗糙度。拋光還起到對缸體內(nèi)表面進行研磨的作用,通過研磨將表面微凸體磨圓磨平,增加配合件的微觀接觸面積,避免因壓力過大而產(chǎn)生劇烈摩擦磨損。與之配合的活塞更換按再制造修理尺寸配制的新的支撐環(huán)、摩擦環(huán)、密封圈等。2再制造工藝的確定采用修理尺寸法對缸體進行珩磨加工后,缸壁的厚度減少,缸體的強度、剛度等力學(xué)性能是否還能滿足原零件設(shè)計的技術(shù)要求,是決定缸體能否采用修理尺寸法進行再制造及確定再制造修理尺寸的前提條件。ANSYS是目前國內(nèi)外廣泛使用的有限元分析軟件。運用ANSYS軟件對加工后的油缸缸體進行有限元建模分析,目的是通過計算缸體在原設(shè)計條件下的應(yīng)力場和位移場,掌握缸體結(jié)構(gòu)加工后的應(yīng)力應(yīng)變情況,為采用修理尺寸法進行油缸再制造和確定缸體的再制造修理尺寸及其標(biāo)準(zhǔn)化提供理論依據(jù)。2.1避免錯誤的分析錯誤ANSYS首先創(chuàng)建實體模型,然后對實體模型進行網(wǎng)格劃分,以生成有限元模型。為節(jié)省建模和計算工作量,避免在網(wǎng)格劃分和分析計算時出現(xiàn)錯誤,要對模型進行適當(dāng)、合理的簡化。經(jīng)過計算驗證和分析,略去對零件整體強度和剛度影響微小的圓角、曲線、曲面、螺孔等,圖3所示是以裝載機動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸為例,簡化后的缸體實體模型。2.2彈性模量和屈服極限工程機械中的動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸缸體均采用20#鋼材料經(jīng)冷拔成型,密度ρ為7.85×10-6kg/mm3,彈性模量E為2.06×105MPa,泊松比μ為0.3,屈服極限σs為245MPa。(2)建立有限元網(wǎng)格模型缸體屬于形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu),應(yīng)力場和位移場較為復(fù)雜,單元類型選用計算精度高、曲線或曲面能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)曲線和曲面邊界的三維二次十節(jié)點四面體結(jié)構(gòu)單元(SOLID187)建立有限元網(wǎng)格模型。(3)動臂油缸模型生成采用自由網(wǎng)格的劃分方法,利用ANSYS軟件提供的智能劃分網(wǎng)格工具MESHTOOL對缸體模型進行自由網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果,動臂油缸模型共生成25701個節(jié)點,15748個單元;轉(zhuǎn)斗油缸模型生成112437個節(jié)點,73556個單元。如圖4所示。(4)缸體內(nèi)表面均布力載荷施加的正確與否將直接影響到分析結(jié)果的正確性和合理性。油缸工作時的進油壓力為17MPa,設(shè)計安全系數(shù)為1.5,計算得到油缸內(nèi)壓力為25.5MPa,缸體內(nèi)表面按均布力加載。模型的約束加在缸底內(nèi)孔整個孔面,全部自由度為零。2.3液壓油缸采用維修尺寸法對壓力加工工藝的適應(yīng)性分析表1和表2分別為經(jīng)過ANSYS軟件計算得到的動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸在缸壁厚度減少(加工量)0.5mm和1.0mm時,缸體在厚度方向上的應(yīng)力分布、最大位移改變量及最大應(yīng)力處安全系數(shù)等計算結(jié)果。圖5~圖6為經(jīng)過ANSYS軟件計算得到的動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸缸體的等效應(yīng)力云圖和合位移云圖。計算結(jié)果顯示,缸壁厚度減小后,缸體內(nèi)壁的應(yīng)力及最大變形量都有所增大。但由于缸體采用的20#鋼屬于韌性、塑性和焊接性都較好的優(yōu)質(zhì)低碳鋼。根據(jù)推薦,靜應(yīng)力下塑性材料以屈服極限為極限應(yīng)力,塑性材料可以緩和過大的局部應(yīng)力,可取安全系數(shù)n在1.2~1.5的范圍內(nèi)。因此,采用修理尺寸法再制造的油缸缸體能滿足強度、剛度要求。由計算結(jié)果可以看到,對于動臂油缸,缸壁厚度減小1.0mm時仍有較高的安全系數(shù)(n=1.57>1.5),說明動力油缸珩磨加工量1.0mm還不是其極限尺寸,還有繼續(xù)加大的可能。對于轉(zhuǎn)斗油缸,缸壁厚度減小1.0mm,盡管安全系數(shù)(n=1.41)低于1.5,但仍在推薦值(1.2<n<1.5)范圍內(nèi),在靜載荷條件下能滿足零件強度、剛度要求。綜上所述,對現(xiàn)有的液壓油缸采用修理尺寸法進行再制造在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上是可行的。采用ANSYS有限元分析,研究對廢舊油缸經(jīng)機械加工后的應(yīng)力與應(yīng)變情況,更加精確地給出了對油缸采用修理尺寸法進行再制造,其強度、剛度等力學(xué)性能在技術(shù)上的滿足程度,由此確定零件在結(jié)構(gòu)上或技術(shù)上的再制造可行性。雖然ANSYS是目前國內(nèi)外廣泛使用的有限元分析軟件,但與文獻[13-16]不同,本文的ANSYS有限元分析對象不是設(shè)計過程中的產(chǎn)品而是用于再制造的報廢的零部件。因此,本文的研究方法和結(jié)果不僅為退役產(chǎn)品的回收處理與再制造技術(shù)的應(yīng)用提供了一種更加精確的定量評價方法,同時也是對ANSYS應(yīng)用領(lǐng)域的一種拓展。3液壓油缸缸再制造工藝的確定(1)液壓油缸是工程機械重要的零部件,多數(shù)是因缸體的磨損而失效。缸體的主要失效模式是內(nèi)表面的磨粒磨損,是由于夾在活塞與缸體內(nèi)表面之間的磨料對缸體內(nèi)表面產(chǎn)生擠壓和切削作用的結(jié)果,磨損特征是在內(nèi)表面形成深度不大的軸向劃痕。磨損后的缸體不僅仍擁有較大的儲備壽命,同時又具有可行的修復(fù)技術(shù)方法,是具有較高再制造價值的零件。(2)修理尺寸法是與恢復(fù)尺寸法同等重要、為國內(nèi)外再制造企業(yè)普遍采用的生產(chǎn)方法。采用修理尺寸法進行液壓油缸缸體的再制造,不僅能夠滿足再制造后產(chǎn)品質(zhì)量和性能不低于新品的再制造特征要求,而且可以利用原有機械加工技術(shù)和方法,生產(chǎn)簡單、經(jīng)濟性好。(3)為確定對缸體進行機械加工后,缸體的強度、剛度等力學(xué)性能是否還能滿足原零件設(shè)計的技術(shù)要求,能否采用修理尺寸法進行再制造及確定合適的再制造修理尺寸,運用ANSYS有限元分析軟件,分別對工程機械中的動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸缸體進行靜力學(xué)分析。(4)計算結(jié)果表明,加工量分別為0.5mm和1.0mm時,動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸缸體再制造件壁厚方向的應(yīng)力分布分別為99.9~150.0MPa、104.0~156.0MPa和111.0~167.0MPa、116.0~174.0MPa;最大位移改變量分別為0.188mm,0.210mm和0.194mm,0.203mm。由此得到再制造件最大應(yīng)力處的安全系數(shù)分別為1.63、1.5