多級液壓缸強度及穩(wěn)定性分析

1、多級液壓缸強度及穩(wěn)定性分析作者：鐘愛清胡學貴汪波等來源：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)的關鍵執(zhí)行元件，既受內(nèi)壓作用，同時承受外載作用，因此對 于細長桿件的液壓缸而言，需要對其進行強度、穩(wěn)定性分析校核，以保證液壓缸設計的安全性 和可靠性。利用ANSYS有限元分析軟件建立多級液壓缸三維模型，對多級液壓缸進行強度校核 和穩(wěn)定性分析。關鍵詞：多級液壓缸；臨界載荷；線性屈曲；等效應力1分析依據(jù)井架起升液壓缸為三級液壓缸（圖1），由缸筒和第一級活塞桿、第二級活塞桿和第三級 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行連接。油缸伸出 時，先出第一級，再出第二級

2、，最后出第三級活塞桿；回縮時先收第三級，再收第二級，最后 收第一級活塞桿。缸筒材質(zhì)一般采用27SiMn （調(diào)質(zhì)），活塞材質(zhì)為45號鋼（正火態(tài)）。作為液壓系統(tǒng)的關鍵執(zhí)行部件，既受內(nèi)壓作用，同時承受外載作用，因此對于細長桿件的 液壓缸而言，需要對其進行強度、穩(wěn)定性分析校核，以保證液壓缸設計的安全性和可靠性。為 確保計算的合理性和準確性，參考標準、規(guī)范如下：1）機械設計手冊：第2篇機械工程材料第5版；2）液壓缸試驗方法GB/T15622-2005；3）鋼結(jié)構設計規(guī)范GB50017-2003。2材料力學性能根據(jù)機械設計手冊：第2篇機械工程材料（第5版，聞邦椿主編）確定鋼號27SiMn （調(diào)質(zhì)）和45#

3、 （正火）的材料力學性能如下表1所示。3有限元模型的建立船榴博魏*itSSK 狀 I3.1計算約定1）對多級液壓缸，取全部活塞伸出時達到最大長度的狀態(tài)為計算狀態(tài)，同時忽略密封圈、 局部油孔、凸臺、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，基于簡化計算的目的，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，活塞伸出后必然會有折 曲，因此液壓缸本質(zhì)是一個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 對液壓缸臨界載荷的影響，根據(jù)鋼結(jié)構設計規(guī)范GB50017-

4、2003，取液壓缸總長1/1000作為 彎曲缺陷進行穩(wěn)定性分析。4）根據(jù)設計圖紙，采用實體單元和板殼單元混合建立的多級缸有限元分析模型如圖2所示。3.2載荷及約束關系根據(jù)多級液壓缸的受力關系，采用面壓力加載方式對液壓缸筒體無桿腔實施加載，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。隊橫螂荷媽稅扣瞰 亦it4強度校核根據(jù)國家標準液壓缸試驗方法：GB/T15622-2005，對液壓缸進行強度校核時，當

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

6、裝配缺陷、材料與幾何非線性等因素的影響，對 多級液壓油缸活塞全伸狀態(tài)進行非線性屈曲穩(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，當液壓缸軸向載荷Pcr達到一定值時，液壓缸將發(fā)生失穩(wěn)，進而使得活 塞桿失效，最大橫向變形位于第三級活塞桿和第二級活塞桿套接處，此處臨界應力達到材料屈 服極限。根據(jù)液壓缸受力狀況，可以計算，在工作壓力下通過第三級活塞桿的工作載荷可以獲得液 壓缸的工作載荷，即：因此，多級液壓缸處于活塞全伸時，其穩(wěn)定安全系數(shù)K=Pcr/F大于鋼結(jié)構彈性失穩(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桁舜6結(jié)論通過對活塞全伸狀態(tài)下的液壓缸進行強度和穩(wěn)定分析，可以給出以下結(jié)論：多級伸縮油缸在試驗壓力作用下，液壓缸缸體和活塞桿的最大等效Mises應力均小于對 應材料許用應力，表明液壓缸強度滿足要求。多級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)多級液壓的伸 縮狀況，液壓缸的承載能力隨第三級活塞桿伸出長度的增加而降低，顯然，其他工況下的液壓 缸及其活塞桿也是穩(wěn)定的。參考文獻邢靜忠.ANSYS分析實例與工程應用M.北京：機械工業(yè)出版社，2003.張紅松.ANS