基于有限元分析的液压缸侧向力试验装置的设计

基于有限元分析的液压缸侧向力试验装置的设计
王宇恒;汪晟杰;刘洪春
【摘要】This paper takes the hydraulic cylinder with rear flange as object of experimental research and analysis.The finite element analytic result of the the hydraulic cylinder tested under axial and lateral force is obtained by using the software of ANSYS/Workbench,including the offset of piston rod end and the critical load of the lateral force.And then the lateral rorce testing device is designed and the type of the lateral force loading hydraulic cylinder is selected by its calculation.This device meets the testing requirement of its axial and lateral force and the security and reliability of the hydraulic system are perfectly ensured.%以后端法兰型液压缸作为测试试验及分析研究的对象,基于ANSYS/Workbench所得到的被测试液压缸在同时承受轴向力和侧向力时的有限元分析结论,包括液压缸活塞杆端部的偏移量以及液压缸的侧向临界载荷,进行了侧向力试验装置的结构设计和侧向力加载缸的选型计算,满足了对被试液压缸同时进行轴向和侧向加载的试验要求,为提升液压系统安全性及可靠性提供保证.
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2017(046)002
【总页数】3页(P85-87)
【关键词】液压缸;侧向力;试验装置;有限元分析
【作者】王宇恒;汪晟杰;刘洪春
【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094
【正文语种】中文
【中图分类】TH137.51
工程机械液压缸通常在大载荷、恶劣环境下工作，其受力情况较复杂，液压缸易产生侧向(径向)力，引发故障，甚至破坏结构件，进而造成主机系统无法正常工作[1～2]。

目前，我国液压缸缺乏先进完备的检测环节，严重制约了液压缸技术的提升[3]，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。

林荣川[4]等针对液压缸活塞杆和缸体受轴向力和横向(侧向)力的共同作用而产生弯曲变形，最终导致液压缸整体失稳的问题，建立挠度的非线性方程组，获得了计算液压缸临界载荷的超越方程；杨宏亮[5]等利用ANSYS软件建立了承受径向载荷的液压缸的有限元模型，分析得到了活塞杆、活塞、导向套和缸筒的应力及变形后的间隙；杨光[6]等通过ANSYS软件对液压缸各部件在同时承受轴向力和径向力时进行非线性有限元分析，得到了活塞杆、活塞、导向套和缸筒的应力及变形分布云图，在此基础上对液压缸筒进行优化设计。

在侧向力试验装置的结构设计方面，汪立平[7]等公开了一种可以向被试液压缸施加径向负载的径向加载装置以及移动装置，但并没有给出其具体设计及运行原理。

综上可知，很少涉及利用有限元仿真结果进行侧向力试验装置的设计。

本文结合有限元软件ANSYS/Workbench对液压缸承受侧向力的工况条件进行仿真分析，得到活塞杆端部的偏移量以及液压缸的侧向临界载荷，并依此进行液压缸侧向力试验装置的设计。

GB/T 15622-2005《液压缸试验方法》的试验项目和试验方法中并
没有侧向力试验，基于有限元分析的液压缸侧向力试验装置的设计将使液压缸试验项目和试验方法更加完善。

液压缸侧向力的产生主要是由外部因素(包括安装误差、加工误差、外部摩擦力等)和自身结构特性(包括自重、轴向尺寸大、内摩擦等)共同导致的，理论上可分为以下3类：1) 外接部位的加工及安装误差所引起的侧向力；2) 存在挠度变化引起的
侧向力；3) 摩擦力所产生的侧向力。

液压缸由于受到侧向力，其活塞、导向套就承受了侧向负载，进而导致密封件的加剧磨损，间隙增大，泄漏的可能性变大，同时还产生了轴向偏载，加大了摩擦阻力，造成抖动、爬行、异响等情况。

除此之外，由于侧向力的存在，会使作用在液压缸上的轴向力偏离其中心轴线，严重的会造成失稳破坏。

被试液压缸为单活塞杆双作用式液压缸，采用后端法兰式的安装方式，活塞杆端部装有耳环。

其主要的外形尺寸和技术参数如表1所示。

1) 三维实体建模、材料定义与网格划分
由于前端盖、后端盖和缸筒之间没有相对运动，因此在建模时，将其视为一个零件，建模时忽略了比较小的倒角和螺纹孔。

由于法兰、筒组件、活塞杆、活塞、耳环的材料均为45钢，因此在模型被导入后对材料设置如下：弹性模量E为2.0e+5 MPa，泊松比μ为0.3。

运用Multizone(复合)的网格划分方法，并将网格类型设置为以六面体为首选，其余部
分为四面体。

网格划分结果如图1所示。

2) 接触设置
将耳环和活塞杆、法兰和筒组件之间的接触设置为Bonded，活塞、活塞杆和筒组件之间的接触设置为No Seperation，由于活塞和缸筒之间为间隙配合，通过计
算将间隙设置为0.55 mm。

3) 施加约束和载荷
首先固定法兰，对其施加Fixed Support约束。

然后施加载荷，所施加载荷的位置、类型和大小经计算如表2所示。

4) 仿真结果分析
求解时在Solution下设定计算等效应力、等效应变和变形等内容，得到仿真分析
结果，如图2所示。

由图2(a)可以看出：侧向力为0时，最大应力集中于缸筒内壁，为154.8 MPa，此时活塞杆的最大应力在86.0～103.2 MPa之间，距离屈服点还较远；由图2(b)可以看出：当侧向力为1.4 kN时，活塞杆与缸筒内壁的最大应力持平，最大应力为168.3 MPa；由图2(c)可以看出：当侧向力为3.4 kN时，应力变化集中于活塞杆与前端盖的接触区域，最大应力为356.0 MPa，刚刚超过45钢的屈服极限355.0 MPa，得到侧向临界载荷为3.4 kN，侧向力试验的初始
试验参数也由此确定；此时，由应变云图测出活塞杆端部的偏移量σmax为28 mm，为侧向力试验装置的设计提供了依据。

记录每一组仿真分析结果的最大应力值并计算应力差，制成图3。

从图3曲线(a)
可以看出，侧向力在0～1.0 kN之间时，最大应力发生在缸筒内壁，在1.0 kN～1.4 kN之间时，最大应力发生的位置转移到活塞杆与前端盖的接触区域，图3曲
线(b)应力差急剧增大，表明最大应力有一个明显变化、转移的过程；侧向力从1.4 kN开始，最大应力发生在活塞杆处，进入了活塞杆材料的弹性变形区域，最大应力也由此呈现出线性增长的趋势。

因此，在进行侧向力试验时，可依据仿真分析结果确定的最大应力线性变化区域，在此区域内，只需进行几组测试试验便可得到整个区域内最大应力值及其变化趋势，从而减少了测试试验的次数，降低了试验成本。

如图4所示的液压缸侧向力试验装置的总体结构示意图。

其中，被试液压缸活塞
杆端部耳环与销轴9和侧向滑块11之间构成转动副；整个侧向力试验装置可以在滚动直线导轨4上沿被试液压缸的轴向往复移动，构成轴向移动副，起到轴向负
载导向和支撑的作用；轴向负载缸活塞杆端部与轴向缸连接圆柱5相连，用以传
递轴向负载；侧向导轨10内嵌有轴承，和侧向滑块11之间构成侧向移动副，侧向加载缸1通过侧向导轨10和侧向滑块11将侧向力施加到被试液压缸耳环上；内置式磁致伸缩传感器8用以检测被试液压缸活塞杆端部的偏移量；轴向力传感器6和侧向力传感器7分别用以检测轴向力和侧向力的大小。

因此，被试液压缸在承受侧向力的同时还会承受轴向负载缸产生的轴向负载，更加符合实际工况。

为保证侧向加载时，侧向滑块有足够的滑动距离，滑动设计长度L不应低于通过仿真分析得到的活塞杆端部偏移量σmax。

考虑到仿真分析与实际值之间的误差及测试试验的裕度，这里L取为40mm。

由仿真分析所得被试液压缸的侧向临界载荷FS=3.4kN，对侧向加载缸进行初步选型计算，以确定其主要外形尺寸和技术参数。

1) 侧向摩擦力
由于侧向滑块在侧向导轨内滑动，当存在轴向压力时，它们之间产生的侧向摩擦力不可忽略，求得侧向摩擦力为：
2) 总侧向力F总
总侧向力包括被试液压缸的侧向临界载荷以及侧向摩擦力，求得总侧向力为：3) 侧向加载缸的额定工作压力
由于总侧向力较小，因此选用小规格的液压缸，缸径为40mm，活塞杆直径为20mm，最大行程为125mm。

求得无杆腔的工作压力为：
因此由GB/T 7938-1987液压缸的公称压力(额定压力)系列中选择25 MPa作为侧向加载缸的公称压力。

综合以上选型计算，得到侧向加载缸的主要外形尺寸及技术参数如表3所示。

1) 通过对液压缸侧向力产生的原因以及其对液压缸性能的影响进行分析与总结，可为液压缸的结构改进优化及工艺制定提供一定的依据；
2) 利用ANSYS/Workbench对被试液压缸的侧向承载能力进行仿真分析，得到其
活塞杆端部的偏移量和侧向临界载荷，并根据该仿真分析结果进行了侧向力试验装置的设计，为研究侧向力对液压缸性能的影响提供专业的测试试验装置；
3) 有限元的仿真分析结果可以为测试试验提供最初始的试验参数，而不必盲目进行测试试验，减少测试试验的次数，降低测试试验的成本。