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基于Simulation的液壓缸外缸筒變形分析

    液壓缸是液壓系統(tǒng)中非常重要的執(zhí)行元件,其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),將流體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,工作平穩(wěn),慣性小,反應(yīng)快。泄漏是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)必須解決的問(wèn)題。內(nèi)泄漏會(huì)引起系統(tǒng)容積效率的急劇下降，使系統(tǒng)達(dá)不到所需的工作壓力，造成設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn); 外泄漏則造成工作介質(zhì)浪費(fèi)和環(huán)境污染，甚至引發(fā)設(shè)備操作失靈和人身事故。21MPa3級(jí)液壓缸主要用于鉆井支架的豎起與放落，由于壓力較大，工作時(shí)容易出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。本文運(yùn)用SolidWorksSimulation有限元分析軟件對(duì)外缸筒進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)方法，有效地解決了其泄漏問(wèn)題。
    1、結(jié)構(gòu)及受力分析
    21MPa3級(jí)液壓缸的結(jié)構(gòu)如圖1所示，為柱塞式和雙作用活塞式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。在豎起支架時(shí)，大直徑缸(1級(jí)缸) 先伸出，然后2級(jí)缸、3級(jí)缸出，升起過(guò)程中速度逐漸減小。工作結(jié)束收起液壓缸時(shí)，小直徑缸(3級(jí)缸) 先收起，依靠重力逐級(jí)收回。

    在外缸筒上開設(shè)安裝卡環(huán)的環(huán)形槽，以固定導(dǎo)向套。外缸筒受力如圖2所示，包括液壓油、導(dǎo)向套、卡環(huán)和擋圈對(duì)內(nèi)壁的正壓力，以及卡環(huán)對(duì)環(huán)形槽的軸向壓力。由于開有環(huán)形槽，缸筒的壁厚被削弱。在承受較大壓力時(shí)，外缸筒會(huì)出現(xiàn)“喇叭口”狀的變形，從而導(dǎo)致液壓油泄漏，影響鉆井支架順利豎起與放落。
    2、Simulation有限元計(jì)算
    作為SolidWorks 的插件，Simulation與Solid-Works無(wú)縫集成，其功能強(qiáng)大，界面友好，操作簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果可靠。Simulation能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、頻率分析、熱分析、掉落測(cè)試、疲勞分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、線性和非線性分析等。與Ansys等有限元分析軟件相比，Simulation 以其直觀性和易操作性得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
    21MPa3級(jí)液壓缸外缸筒 Simulation 有限元計(jì)算步驟如下：
    (1)、創(chuàng)建算例 運(yùn)行 Simulation 插件并建立靜態(tài)算例。計(jì)算位移、反作用力、應(yīng)變、應(yīng)力和安全系數(shù)分布。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定數(shù)值時(shí)材料將失效。安全系數(shù)計(jì)算基于失效準(zhǔn)則，安全系數(shù)低于1，即表示材料失效。
    (2)、設(shè)置材料屬性 在 Simulation 中將外缸筒的材質(zhì)指定為合金鋼。
    (3)、添加約束為完成靜態(tài)分析，模型須正確施加約束，使之無(wú)法移動(dòng)。Simulation 提供了各種夾具來(lái)約束模型。在外缸筒的工作過(guò)程中，其端面圓環(huán)與后蓋焊接在一起，故在外缸筒的圓環(huán)面上施加固定幾何體約束。
    (4)、施加載荷為簡(jiǎn)化計(jì)算，在缸筒的內(nèi)壁上施加 21MPa的垂直正壓力，在環(huán)形槽面上施加軸向壓力21MPa，模擬外缸筒的實(shí)際受力情況。
    (5)、網(wǎng)格化模型 Simulation 采用四面體實(shí)體單元?jiǎng)澐謱?shí)體幾何體，采用高品質(zhì)單元 (2階單元) 以達(dá)到較好的模擬能力，提高分析結(jié)果的可靠性。
    (6) 運(yùn)行算例分析完成后，在Simulation 樹形分析管理器中生成各種圖解。顯示的位移圖解如圖3所示。

    3、結(jié)果分析
    Simulation對(duì)零件模型進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果的精確度取決于材質(zhì)屬性、約束以及載荷。為使結(jié)果有效，指定的材質(zhì)屬性必須能夠準(zhǔn)確描述零件材質(zhì)，約束與載荷須準(zhǔn)確描述零件的實(shí)際工作條件。本文的分析嚴(yán)格按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，結(jié)果是可靠的。
    由于面1、面2、面3 (見(jiàn)圖1) 直接或間接與密封圈相接觸，故須保證其變形較小。在Simula-tion 軟件中，使用“探測(cè)”工具分別測(cè)量3 個(gè)面的最大位移，結(jié)果見(jiàn)表1。

    4、結(jié)構(gòu)改進(jìn)
    為了減小變形量，避免發(fā)生泄漏現(xiàn)象，在缸筒外與環(huán)形槽相對(duì)的位置增加1道箍，如圖4所示。

    用Simulation對(duì)該裝配體按照2中的步驟進(jìn)行分析，注意不同之處:
    (1) 指定箍的材質(zhì)為合金鋼。
    (2) 指定零部件間的連接類型。分析裝配體時(shí)，須了解裝配體的各個(gè)零部件之間接觸類型，以保證建立的數(shù)學(xué)模型能夠正確計(jì)算接觸時(shí)的應(yīng)力和變形。實(shí)際工作時(shí)，外缸筒與箍一起受力變形，故此處指定連接類型為 “接合”，即把裝配體看成是一個(gè)整體。
    分析完成后顯示的位移圖解如圖 5 所示。

    在Simulation 軟件中，使用 “探測(cè)”工具分別測(cè)量面1、面2、面3的最大位移，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。
    從表1中可以看出，3個(gè)與密封相關(guān)的面的位移均變小。并且，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，改進(jìn)結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生泄漏，理論分析與實(shí)際結(jié)果相吻合，證明了改進(jìn)設(shè)計(jì)的可行性。
    5、結(jié)論
    借助Simulation 有限元分析軟件，得出2種結(jié)構(gòu)在同樣的載荷條件下位移的變化情況，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。通過(guò)比較可知結(jié)構(gòu)改進(jìn)后外缸筒的受力變形明顯減小，從根本上避免了泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。改進(jìn)結(jié)構(gòu)的液壓缸已投入使用，沒(méi)有發(fā)生泄漏現(xiàn)象，證明了改進(jìn)設(shè)計(jì)的合理性。