关于伸缩式液压油缸静应力与稳定性分析

牟 均

（四川化工职业技术学院，四川 泸州 646099）

1 前言

在工作过程中，缸筒受内外压力作用时的强度、刚度，以及活塞杆达到较大行程时的弯曲变形与临界力大小都是液压油缸的重要设计参数。

2 研究对象

选取船舶起重机中的伸缩式液压油缸为研究对象。该油缸具备工作行程长、非工作状态回缩距离较短等特点，适用于安装空间受到限制而行程要求很长的场合。活塞杆伸出时，工作压力随行程增大而减小，缸筒运动时受到内部工作液压油和外部载荷的综合作用。

3 材料性能

当液压油缸处于全伸出状态时，缸筒底部强度、刚度，以及活塞杆的稳定性必须作为重要参数进行校核，同时要对应用材料的安全因数进行全面验证，以保证液压油缸设计的安全性和可靠性。为确保计算的合理性和准确性，参考技术规范和标准选取各部件的材料。缸筒材质采用调质态27SiMn，活塞杆材质采用正火态45号钢。

4 液压油缸系统建模、网格划分

尽管液压缸系统具有大量零件，但诸如固定环和阀座之类的较小零件总体上影响很小，因此在建模时我们将其忽略。简化模型主要由气缸部分和活塞部分组成。对于模型的对称结构，在建模期间仅需要创建一半的对称模型。当活塞杆完全伸出时，系统的工作条件最差，因此请使用活塞杆液压缸。

使用Pro/E（当前气缸壁厚25.5毫米，气缸内径115毫米，行程1096毫米）建模，简化模型。通过ANSYSWorkbench和Pro/E接口导入。采用物理结构自动网络网格划分功能，控制单元大小为0.01m，划分的网格共包括1,308,67个节点和73,224个单元。整个系统具有三个联系。活塞与气缸内壁之间的接触被定义为无摩擦接触。活塞与气缸底部之间的接触被定义为不可分离的接触。活塞杆和缸体之间的接触被定义为无摩擦接触。对于液压缸系统，有3个主要负载，一端有固定负载，没有杆。空腔的压力载荷和外部载荷在一端铰接。无杆腔的工作压力为31.5GPa，转换为外部负载为1200kN。由于选择了表格结构的1/2进行分析，因此也施加了对称约束。获取系统应力和径向应变的云。圆柱部分的应力主要集中在100-200MPa，内壁的应力高于外壁的应力，但与360MPa相比仍存在优化的余地，屈服极限为45MPa[1]。径向应变也主要集中在圆柱体中。由于它是圆柱体，所以圆柱体是我研究的重点。

5 有限元分析

1）分析步骤。为确保ANSYSWorkbench软件有限元分析的合理性，按以下步骤进行操作。首先进入ANSYSDM模块创建有限元几何模型，根据模型建立局部坐标。然后进入ANSYSWorkbench软件材料栏，对液压油缸各部分材料属性进行定义。接着进入分析界面，对模型进行网格划分，并根据实际工况，施加内外载荷与边界条件约束。最后根据所需分析目标，进行计算求解及结果后处理。

2）有限元几何建模。选取液压油缸活塞杆全伸出时的状态进行分析。在ANSYSDM模块创建有限元几何模型时，为了缩短计算时间，去除密封圈沟槽、凸台、倒角等可以忽略的几何特征，并假定不存在焊接缺陷，同时视各部分材料为向同性、匀质的理想弹塑性材料。

3）材料参数设置及网格划分。根据材料的力学性能参数，在ANSYSWorkbench软件的材料清单中对重要部件— —缸筒、活塞杆的材料参数进行设置。运用ANSYSWorkbench软件的网格划分功能对模型进行网格划分，选取Solide186二阶四边形单元，划分速度选取慢速，网格大小设置为5mm。对截面过渡位置进行局部网格细化，确保重要位置的应力区域至少覆盖两层以上网格。液压油缸有限元模型网格划分后，共得到125455个单元、18954个节点。

4）边界条件设置及载荷施加。考虑到活塞杆的密封作用，液压油缸缸筒与活塞杆之间设置为摩擦连接，摩擦因数取0.1。由于液压油缸两端支耳与机械臂为销轴铰接，因此在液压油缸模型的支耳两端A、B处，对轴向旋转的自由度进行释放，约束其余方向的自由度，从而创建液压油缸两端支耳的边界约束。当液压油缸的活塞杆达到行程极限位置时，采用面压力对液压缸缸筒无杆腔C处施加1.5倍工作压力，即31.5MPa。

5）极限工况强度、刚度校核。伸缩式液压油缸工作时，缸筒内部受到液压油的工作压力，两端支耳的连接位置受到机械作用力，受力情况比较复杂。为保证液压油缸产品质量，需要选取合理的安全因数，因为安全因数对液压油缸的强度和变形有较大影响。在部件强度、刚度和稳定性三要素中，液压油缸的结构强度直接影响液压油缸的可靠性与整体性能，是确保液压油缸获得与主机相同生命周期的关键。

6）稳定性分析。伸缩式液压油缸内壁承受压力作用，活塞杆伸出时，油缸整体可视作细长杆。活塞与缸筒、活塞杆与套环间存在间隙，当活塞杆全部伸出后，必然会有微小弯曲变形，因此，伸缩式液压油缸模型本质为细长变截面且具有初始弯曲，同时承受内部压力的压杆，具有纵向弯曲的特点。目前，ANSYS Workbench软件中由于线性屈曲分析应用材料力学压杆稳定性原理，其预测值为临界载荷上限值，工程中应用此值则偏于危险。因此，笔者采用考虑结构综合缺陷的非线性屈曲分析，这样对液压油缸全伸出状态进行稳定性分析更具参考意义。

当液压油缸所受载荷达到临界载荷值时，活塞杆产生非塑性弯曲的趋势，进而发生失效。当液压油缸所受载荷大于临界载荷值后，载荷随变形量的增大而减小。临界载荷值对应的变形量位于活塞杆与一级活塞连接处，最大变形量的位置相吻合，此处临界应力达到材料屈服极限。根据相关公式可得，液压油缸的工作载荷值为705kN，液压油缸处于全伸出状态时的稳定因数为2.16(1520kN÷705kN)，大于钢结构弹性塑性失稳安全因数(2.0)，说明伸缩式液压油缸及活塞杆的稳定性符合设计要求。

6 液压缸典型零部件间配合约束解除能量消耗分析

1）螺纹约束解除。对于液压缸，螺栓连接是最常见的一种，但螺栓连接是最常见的。以拆卸螺钉为例，我们分析了释放螺钉约束所消耗的能量。当前，大多数螺钉的拆卸是通过扳手完成的。螺钉拆卸过程分为两个部分：释放螺钉约束和卸下螺钉。根据螺钉的力，螺钉的松动过程可分为松动过程和空转过程。在松开过程中，始终会有预紧力。空转过程是在不预紧的情况下从螺钉孔中卸下螺钉的过程。从理论上讲，螺钉释放约束所消耗的能量是松动和空转过程所消耗的能量之和。但是，空转时的能量消耗小于放松时的能量消耗，因此该部分的能量可以忽略。在拧松螺丝的过程中，拧松扭矩为拧紧扭矩的0.8倍。

2）非刚性过盈配合约束解除。非刚性过盈配合是指配合零件的配合的相对位移或旋转，例如，活塞密封圈与气缸套之间，气缸盖与活塞密封圈之间的配合等。杆之间的非刚性过盈配合，通常在聚合物材料零件和金属零件之间看到。当前，非刚性配合约束的分解通常是手动分解或专用锯分解。分析此类约束的一个示例是活塞密封圈和气缸之间的非刚性过盈配合约束。释放非刚性过盈配合约束的过程分为两部分：活塞在气缸中运动和活塞从气缸中脱离。使用特殊的拆卸工具将活塞移出气缸。

7 结束语

综上所述，在试验压力作用下，缸筒和活塞杆的最大等效应力均小于材料的许用应力。其稳定性和安全性也能得到很好的保证，且符合设计要求。