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基于Simulation的液压缸外缸筒变形分析

发布时间：2015-03-12

    液压缸是液压系统中非常重要的执行元件,其驱动机构作直线往复运动,将流体的压力能转化为机械能,工作平稳,惯性小,反应快。泄漏是液压传动系统必须解决的问题。内泄漏会引起系统容积效率的急剧下降，使系统达不到所需的工作压力，造成设备无法正常运转; 外泄漏则造成工作介质浪费和环境污染，甚至引发设备操作失灵和人身事故。21MPa3级液压缸主要用于钻井支架的竖起与放落，由于压力较大，工作时容易出现泄漏现象。本文运用SolidWorksSimulation有限元分析软件对外缸筒进行分析，并提出改进方法，有效地解决了其泄漏问题。
    1、结构及受力分析
    21MPa3级液压缸的结构如图1所示，为柱塞式和双作用活塞式相结合的结构。在竖起支架时，大直径缸(1级缸) 先伸出，然后2级缸、3级缸出，升起过程中速度逐渐减小。工作结束收起液压缸时，小直径缸(3级缸) 先收起，依靠重力逐级收回。

图1 3级液压缸的结构图

图2 外缸筒受力分析

    在外缸筒上开设安装卡环的环形槽，以固定导向套。外缸筒受力如图2所示，包括液压油、导向套、卡环和挡圈对内壁的正压力，以及卡环对环形槽的轴向压力。由于开有环形槽，缸筒的壁厚被削弱。在承受较大压力时，外缸筒会出现“喇叭口”状的变形，从而导致液压油泄漏，影响钻井支架顺利竖起与放落。
    2、Simulation有限元计算
    作为SolidWorks 的插件，Simulation与Solid-Works无缝集成，其功能强大，界面友好，操作简单，计算结果可靠。Simulation能够进行应力分析、应变分析、频率分析、热分析、掉落测试、疲劳分析、设计优化、线性和非线性分析等。与Ansys等有限元分析软件相比，Simulation 以其直观性和易操作性得到了越来越广泛的应用。
    21MPa3级液压缸外缸筒 Simulation 有限元计算步骤如下：
    (1)、创建算例运行 Simulation 插件并建立静态算例。计算位移、反作用力、应变、应力和安全系数分布。当应力超过一定数值时材料将失效。安全系数计算基于失效准则，安全系数低于1，即表示材料失效。
    (2)、设置材料属性在 Simulation 中将外缸筒的材质指定为合金钢。
    (3)、添加约束为完成静态分析，模型须正确施加约束，使之无法移动。Simulation 提供了各种夹具来约束模型。在外缸筒的工作过程中，其端面圆环与后盖焊接在一起，故在外缸筒的圆环面上施加固定几何体约束。
    (4)、施加载荷为简化计算，在缸筒的内壁上施加 21MPa的垂直正压力，在环形槽面上施加轴向压力21MPa，模拟外缸筒的实际受力情况。
    (5)、网格化模型 Simulation 采用四面体实体单元划分实体几何体，采用高品质单元 (2阶单元) 以达到较好的模拟能力，提高分析结果的可靠性。
    (6) 运行算例分析完成后，在Simulation 树形分析管理器中生成各种图解。显示的位移图解如图3所示。

图3 外缸筒位移图解

    3、结果分析
    Simulation对零件模型进行应力分析，分析结果的精确度取决于材质属性、约束以及载荷。为使结果有效，指定的材质属性必须能够准确描述零件材质，约束与载荷须准确描述零件的实际工作条件。本文的分析严格按照实际情况进行设置，结果是可靠的。
    由于面1、面2、面3 (见图1) 直接或间接与密封圈相接触，故须保证其变形较小。在Simula-tion 软件中，使用“探测”工具分别测量3 个面的最大位移，结果见表1。

表1 2种结构的测量值及对比

4、结构改进
为了减小变形量，避免发生泄漏现象，在缸筒外与环形槽相对的位置增加1道箍，如图4所示。

图4 改进设计的结构图

    用Simulation对该装配体按照2中的步骤进行分析，注意不同之处:
    (1) 指定箍的材质为合金钢。
    (2) 指定零部件间的连接类型。分析装配体时，须了解装配体的各个零部件之间接触类型，以保证建立的数学模型能够正确计算接触时的应力和变形。实际工作时，外缸筒与箍一起受力变形，故此处指定连接类型为 “接合”，即把装配体看成是一个整体。
    分析完成后显示的位移图解如图 5 所示。

图5 改进设计的位移图解

    在Simulation 软件中，使用 “探测”工具分别测量面1、面2、面3的最大位移，并将计算结果进行比较，见表1。
    从表1中可以看出，3个与密封相关的面的位移均变小。并且，在现场测试中，改进结构没有发生泄漏，理论分析与实际结果相吻合，证明了改进设计的可行性。
    5、结论
    借助Simulation 有限元分析软件，得出2种结构在同样的载荷条件下位移的变化情况，为结构改进提供了理论依据。通过比较可知结构改进后外缸筒的受力变形明显减�。痈旧媳苊饬诵孤┫窒蟮姆⑸�。改进结构的液压缸已投入使用，没有发生泄漏现象，证明了改进设计的合理性。

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