多级液压缸强度及稳定性分析

1、多级液压缸强度及稳定性分析作者：钟爱清胡学贵汪波等来源：农业开发与装备2018年第9期摘要：液压缸作为液压系统的关键执行元件，既受内压作用，同时承受外载作用，因此对 于细长杆件的液压缸而言，需要对其进行强度、稳定性分析校核，以保证液压缸设计的安全性 和可靠性。利用ANSYS有限元分析软件建立多级液压缸三维模型，对多级液压缸进行强度校核 和稳定性分析。关键词：多级液压缸；临界载荷；线性屈曲；等效应力1分析依据井架起升液压缸为三级液压缸（图1），由缸筒和第一级活塞杆、第二级活塞杆和第三级 活塞杆（最小杆）、密封圈等组成，油缸两端与井架的采用销轴铰接方式进行连接。油缸伸出 时，先出第一级，再出第二级

2、，最后出第三级活塞杆；回缩时先收第三级，再收第二级，最后 收第一级活塞杆。缸筒材质一般采用27SiMn （调质），活塞材质为45号钢（正火态）。作为液压系统的关键执行部件，既受内压作用，同时承受外载作用，因此对于细长杆件的 液压缸而言，需要对其进行强度、稳定性分析校核，以保证液压缸设计的安全性和可靠性。为 确保计算的合理性和准确性，参考标准、规范如下：1）机械设计手册：第2篇机械工程材料第5版；2）液压缸试验方法GB/T15622-2005；3）钢结构设计规范GB50017-2003。2材料力学性能根据机械设计手册：第2篇机械工程材料（第5版，闻邦椿主编）确定钢号27SiMn （调质）和45#

3、 （正火）的材料力学性能如下表1所示。3有限元模型的建立船榴博魏*itSSK 状 I3.1计算约定1）对多级液压缸，取全部活塞伸出时达到最大长度的状态为计算状态，同时忽略密封圈、 局部油孔、凸台、倒角、焊缝的影响，并假定焊接过程是可靠的，不存在焊接缺陷和未焊牢的 情况。2）在不影响分析结果的情况下，基于简化计算的目的，将液压缸各部分材料视为各向同性、 匀质的理想弹塑性材料。3）液压承载受压后，由于活塞与缸筒、活塞杆与套环间存在间隙，活塞伸出后必然会有折 曲，因此液压缸本质是一个变截面有初始弯曲的承受内压的压杆纵横弯曲问题，为考虑各因素 对液压缸临界载荷的影响，根据钢结构设计规范GB50017-

4、2003，取液压缸总长1/1000作为 弯曲缺陷进行稳定性分析。4）根据设计图纸，采用实体单元和板壳单元混合建立的多级缸有限元分析模型如图2所示。3.2载荷及约束关系根据多级液压缸的受力关系，采用面压力加载方式对液压缸筒体无杆腔实施加载，加载方 式如图3所示。液压缸筒体与活塞之间为滑动连接，通过在有限元分析模型建立筒体表面与活塞表面间的 摩擦接触模型。液压缸两端与井架之间为销轴铰接，在有限元建模中，采用销轴方向旋转自由 度释放、其余自由度约束的形式建立液压缸两端的边界约束条件。队横螂荷妈税扣瞰 亦it4强度校核根据国家标准液压缸试验方法：GB/T15622-2005，对液压缸进行强度校核时，当

5、液压 缸活塞处于行程极限位置（全行程长度），向工作腔内施加1.5倍的工作压力。#1峭济吐而帛旦出站7蛙厢网1点姑1古画fr 山毗用鼎4+ /根据钢结构设计规范结构强度校核要求，当选用钢材os/ob小于0.7时，取安全系 数为1.48，得o=os/1.48；当选用钢材。s/ob大于0.7时，钢材的基本许用应力按下式 计算，即：门岫舐-LKYT a根据图4应力分布情况，对液压缸缸体和活塞杆分布进行强度校核，如各部件最大等效应 力均小于许用应力，表明液压缸强度满足要求。5稳定性分析鉴于线性屈曲分析无法考虑结构的缺陷，获得临界载荷一般为结构承载能力的上限，作为 设计参考偏于危险，因此，在考虑结构尺寸、

6、装配缺陷、材料与几何非线性等因素的影响，对 多级液压油缸活塞全伸状态进行非线性屈曲稳定性分析。图5 (a)和图5 (b)分别为液压缸活塞全伸情况下的屈曲变形图及载荷-横向位移曲线图。从图中可以看出，当液压缸轴向载荷Pcr达到一定值时，液压缸将发生失稳，进而使得活 塞杆失效，最大横向变形位于第三级活塞杆和第二级活塞杆套接处，此处临界应力达到材料屈 服极限。根据液压缸受力状况，可以计算，在工作压力下通过第三级活塞杆的工作载荷可以获得液 压缸的工作载荷，即：因此，多级液压缸处于活塞全伸时，其稳定安全系数K=Pcr/F大于钢结构弹性失稳安全系 数2.0，弹塑性失稳安全系数1.5，说明该工况下液压缸及其

7、活塞杆是稳定的。I扪洁茎全作建定住会桁舜6结论通过对活塞全伸状态下的液压缸进行强度和稳定分析，可以给出以下结论：多级伸缩油缸在试验压力作用下，液压缸缸体和活塞杆的最大等效Mises应力均小于对 应材料许用应力，表明液压缸强度满足要求。多级伸缩油缸在最大工作压力作用下的稳定安全系数K，大于钢结构弹性失稳安全系数 2.0，弹塑性失稳安全系数1.5，说明该工况下液压缸及其活塞杆是稳定的。根据多级液压的伸 缩状况，液压缸的承载能力随第三级活塞杆伸出长度的增加而降低，显然，其他工况下的液压 缸及其活塞杆也是稳定的。参考文献邢静忠.ANSYS分析实例与工程应用M.北京：机械工业出版社，2003.张红松.ANS