基于ABAQUS的液压缸活塞杆应力分析与优化_王其福.pdf

信息技术王其福，等基于 ABAQUS 的液压缸活塞杆应力分析与优化第一作者简介:王其福(1967)，男，山东德州人，工程师，学士，研究方向为液压缸疲劳寿命。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301038基于 ABAQUS 的液压缸活塞杆应力分析与优化王其福1，王源麟2(1 德州宇力液压有限公司，山东 德州 253000;2 南京理工大学，江苏 南京 210094)摘要:因液压缸活塞杆退刀槽处存在应力集中，在往复工作中受冲击力易导致活塞杆断裂失效。使用 Solidedges 软件对滑移装载机液压缸活塞杆进行建模，使用 ABAQUS 有限元分析软件分别对曾用结构、目前结构和改进结构活塞杆进行有限元分析，求解出每种活塞杆所对应的应力大小。根据分析结果对活塞杆结构进行优化，提高了活塞杆寿命，保证了滑移装载机的可靠性。关键词:液压缸;活塞杆;应力分析;结构优化中图分类号:TH13751文献标志码:B文章编号:1671-5276(2023)01-0156-04Stress Analysis and Optimization of Piston od of Hydraulic Cylinder Based on ABAQUSWANG Qifu1，WANG Yuanlin2(1 Dezhou Yuli Hydraulic Co，Ltd，Dezhou 253000，China;2 Nanjing University of Science andTechnology，Nanjing 210094，China)Abstract:To cope with the piston rod fracture failure caused by impact force in reciprocating work due to the stress concentrationoccuring in undercut position of hydraulic cylinder piston rods，Solidedges software is applied to model the hydraulic cylinder piston rodof the slip loader，and finite element analysis is conducted on the former structure，the current structure and the improved structure ofpiston rod by ABAQUS software to solve the corresponding stress size of each piston rod According to the analysis results，thestructure of the piston rod is optimized，which improves the service life of the piston rod and ensures the reliability of the slip loaderKeywords:hydraulic cylinder;piston rod;stress analysis;structure optimization0引言液压缸是将液压能转变为机械能并实现直线往复运动(或摆动运动)的液压执行元件，液压缸结构简单、工作可靠，因此被广泛应用于工程领域。液压缸结构由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置等部分组成。液压缸结构形式多种多样。按液压力作用分类可为分单作用式、双作用式;按安装形式可分为耳环、铰轴等。单活塞杆液压缸常用于装载机、挖掘机等工程机械;伸缩式液压缸常用于起重机机械等1。目前我国液压缸缺乏先进完备的检测环节，严重制约液压缸技术的提升，对液压缸进行试验与性能检测已成为保证和提升液压系统安全及可靠工作的重要环节2。由于其测试成本较高，因此有限元分析是产品结构改善的有效途径之一。以单活塞杆双作用液压缸介绍其主要结构，见图 1。图 1单活塞杆双作用液压缸结构模型1活塞杆失效概述本文研究对象是滑移装载机铲斗缸活塞杆。滑移装载机工作装置是实现铲掘、装载物料的机构，其设计性能直接影响装载机的工作效率和作业品质，对整机的其他性能也有较大的影响3。滑移装载机工作装置在插入、铲取、举升、卸载等各工况下作业。在实际作业中，经常可能出现的恶劣工况是铲斗在装载机牵引力的作用下先插入料堆的最大深度，同时动臂油缸、转斗油缸动作，实现铲取物料。这时水平插入阻力和铲取阻力均达到最大值4。所以对滑移装载机铲斗缸可靠性要求更高。滑移装载机模型如图 2(a)所示，实物铲斗缸如图 2(b)所示。图 2滑移装载机651信息技术王其福，等基于 ABAQUS 的液压缸活塞杆应力分析与优化活塞杆主视图如图 3 所示，活塞杆由左侧活塞杆耳环，中间杆体以及右侧螺纹部分组成。图 3活塞杆工程图主视图图 3 所示液压缸的活塞杆在装载机工作过程中主要承受拉力。本文研究图 3 右侧螺纹退刀槽，该处不但承受液压系统的液压力，同时承受活塞与活塞杆装配时螺纹预紧力形成的拉力。由于应力集中以及金属疲劳的影响，此处容易产生微裂纹，裂纹逐步扩展，进而发生断裂，如图 4 所示，可以看出活塞杆在退刀槽处发生了断裂情况。其部分放大图如图 5 所示，图 5 展示的是现阶段正在使用的活塞杆结构，即当前结构。图 4当前活塞杆失效断裂举例图 5当前结构活塞杆工程图局部放大图2000 年前客户要求液压缸累计运行时间 1 000h，失效率为万分之一;2010 年时客户提高要求，要求液压缸累计运行时间3 000 h，失效率为万分之一;2021 年客户又提高要求，要求液压缸累计运行时间 12 000h，失效率为万分之一。为满足客户不断提高的质量要求，必须对活塞杆不断进行优化设计。所谓“优化设计”就是在规定限制条件下，将实际设计问题首先转为最优化问题，然后运用最优化理论和方法在电子计算机上进行自动调优计算。再从满足各种设计要求及限制条件的全部可行方案中选定出最优设计方案5。因此本文对当前活塞杆局部结构进行多次优化，对多种结构进行应力分析并估算其寿命。本文将所分析的 3种活塞杆结构，分别标为曾用结构、当前结构以及改进结构。2应力分析本文研究活塞杆结构对其寿命所带来的影响，由于活塞杆寿命和其所受的最大应力有直接关系，所以先通过ABAQUS 进行活塞杆的应力分析。本文依次分析 3 种活塞杆结构，先进行参数计算，再通过 Solidedges 软件建立模型，随后通过 ABAQUS 进行有限元仿真求得应力。3 种结构局部工程图分别见图 6、图 7 和图 8。图 6曾用结构活塞杆尺寸简图图 7当前结构活塞杆尺寸简图图 8改进结构活塞杆尺寸简图21基础数据及计算1)产品技术参数本文 研 究 的 液 压 缸:缸 径 70mm，活 塞 杆 杆 径35mm，额定压力 23MPa，行程 335mm。活塞伸出速度025 m/s，回缩速度035m/s，活塞一个往复运行时间223s。751信息技术王其福，等基于 ABAQUS 的液压缸活塞杆应力分析与优化活塞杆材料 45GB/T699，活塞杆热处理调质 HB241HB285，调质后抗拉强度Sy 920MPa，屈服强度 Sut615MPa6。活塞杆螺纹分别采用 M272 和 M302，其中 M272螺纹预紧力矩为 500Nm，M30 2 螺纹预紧力矩为700 Nm。2)计算依据首先进行理论计算。活塞杆受力以一个工作周期为单位，活塞杆收回和伸出作为一个周期，分别进行计算。泊松比 v=0269;弹性模量 E=209 000 MPa;额定压强 p额=23 MPa;缸径 D=007m;杆径 d=0035m;3)计算过程7 液压缸推力:F推=p额S推=p额D2/4=88514(kN)(1)液压缸拉力:F拉=p额S拉=p额(Dd)2/4=66385(kN)(2)活塞转矩:M=KTd(3)式中 K 为螺栓拧紧力矩系数，M272 螺纹取 K=015，M302 螺纹取 K=017。T500=M/(Kd)=92593(kN);T700=M/(Kd)=116667(kN)。活塞杆螺纹退刀槽处承受载荷:最小载荷 Fmin=T，最大载荷 Fmax=T+F拉。为了方便求解，将拉力转换为活塞杆最右侧端面所受的压力。22应力分析建立活塞杆模型后，利用 ABAQUS 有限元仿真软件进行应力分析。为了简化活塞杆仿真模型，将活塞杆与活塞集成，约束耳环孔，加载活塞左侧面。改进后活塞杆有限元分析见图 9，局部见图 10。图 9活塞杆改进结构有限元分析图 10活塞杆改进局部结构有限元分析3 种结构活塞杆有限元分析结果见表 1。表 13 种结构活塞杆有限元分析结果单位:MPa状态minmax曾用结构35296031当前结构33655813改进结构317754863疲劳分析液压缸活塞杆工况为非完全反向循环载荷情况，因此选用 Goodman 模型8 进行疲劳寿命计算。对应 N=103次的疲劳强度S103=075Sut(4)对应 N=107次的疲劳强度Se=045Sut(5)活塞杆伸出时受应力为 min，活塞杆收回时受应力为max。计算 3 种活塞杆结构的交变应力、平均应力、等效交变应力，然后评估疲劳寿命，有限元分析结果见表 2。交变应力 a=(maxmin)/2(6)平均应力 m=(max+min)/2(7)等效交变应力 A=Sya/(Sym)(8)表 23 种结构活塞杆有限元分析结果单位:MPa状态amA曾用结构125147802604当前结构122445892416改进结构115543322139疲劳强度:N=(10CA)1/bs(9)式中:C=log(S2103/Se)(10)bs=log(S103/Se)/3(11)活塞杆疲劳寿命见表 3。表 3活塞杆疲劳寿命状态疲劳寿命N/次时间/h曾用结构231061 425当前结构631063 903改进结构3310720 4414工程验证41材料工程实际测量活塞杆材料拉伸强度 Sy为 921MPa，屈服强度 Sut为 629MPa。实际测试结果如图 11 所示。42工况该产品工况借鉴相似产品的液压系统载荷谱，额定压851信息技术王其福，等基于 ABAQUS 的液压缸活塞杆应力分析与优化强为 20MPa，如图 12 所示。本文所研究的液压缸压强情况与图 12 中间部分图像的曲线类似。可以看出曲线的最大值约为 15MPa，并没有达到额定压强的 20MPa。图 11调质后 45 钢拉伸实验报告图 12产品液压系统载荷谱额由于实际使用中，设备承受变动载荷，有时可能只有额定压强的 1/10，有时是额定压强的 15 倍，甚至某些情况下会受更多的瞬间冲击力，因此需要搜集各种机型载荷谱才能进行可信的寿命评估。5结语1)本文通过使用 ABAQUS 软件对 3 种结构活塞杆进行有限元分析，求得了每种结构所对应的最大应力情况。2)对 3 种结构活塞杆进行了疲劳寿命计算，寿命随着结构的优化呈指数增长，最终达到无限寿命。本文通过优化活塞杆结构，使活塞杆达到无限寿命，提高了滑移装载机的可靠性。参考文献:1雷天觉，杨尔庄，李寿刚 新编液压工程手册 M，北京:北京理工大学出版社 1998:13831390 2王宇恒，汪晟杰，刘洪春 基于有限元分析的液压缸侧向力试验装置的设计J 机械制造与自动化，2017，46(2):8587 3胡文刚，孙蓓蓓，张小委 滑移装载机工作装置多体动力学仿真与分析J 机械制造与自动化，2010，39(1):8890 4王业刚，孙蓓蓓，刘乐 滑移装载机工作装置的有限元分析 J 机械制造与自动化，2010，39(1):1517，54 5吴军，袁昌松，汤文成 基于 ANSYS 分析的机架优化设计J机械制造与自动化，2006，35(1):3537 6万嘉礼 机电工程金属材料手册M 1 版 上海:上海科学技术出版社，1989 7徐灏，蔡