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基于Simulation的液压缸外缸筒变形剖析

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    液压缸是液压系统中非常重要的实行元件,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,劳动平稳,惯性小,反应快。泄漏是液压传动系统必须处置的问题。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劳动压力,造成设备无法正常运转; 外泄漏则造成劳动介质浪费和环境污染,甚至引发设备操纵失灵和人身变乱。21MPa3级液压缸首要用于钻井支架的竖起与放落,由于压力较大,劳动时容易出现泄漏现象。本文运用SolidWorksSimulation有限元剖析App对外缸筒实行剖析,并提议改进方法,有用地处置了其泄漏问题。
    1、结构及受力剖析
    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。劳动结束收起液压缸时,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  外缸筒受力剖析
    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,影响钻井支架顺遂竖起与放落。
    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,操纵简单,计算结果可靠。Simulation能够实行应力剖析、应变剖析、频率剖析、热剖析、掉落测试、疲劳剖析、设计优化、线性和非线性剖析等。与Ansys等有限元剖析App相比,Simulation 以其直观性和易操纵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 运转 Simulation 插件并建立静态算例。计算位移、反作用力、应变、应力和平安系数分布。当应力超过一定数值时材料将失效。平安系数计算基于失效准则,平安系数低于1,即暗示材料失效。
    (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剖析,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。在外缸筒的劳动过程中,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,提高剖析结果的可靠性。
    (6) 运转算例剖析完成后,在Simulation 树形剖析办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、结果剖析
    Simulation对零件模型实行应力剖析,剖析结果的精确度取决于材质属性、约束以及载荷。为使结果有用,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劳动条件。本文的剖析严刻按照实际情况实行设置,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,故须包管其变形较小。在Simula-tion App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,幸免产生泄漏现象,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中的步骤实行剖析,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。剖析装配体时,须了解装配体的各个零部件之间接触类型,以包管建立的数学模型能够正确计算接触时的应力和变形。实际劳动时,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。
    剖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 App中,使用 “探测”工具分别测量面1、面2、面3的最大位移,并将计算结果实行比较,见表1。
    从表1中可以看出,3个与密封相干的面的位移均变小。并且,在现场测试中,改进结构没有产生泄漏,理论剖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 有限元剖析App,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。经过比较可知结构改进后外缸筒的受力变形明显减小,从根本上幸免了泄漏现象的产生。改进结构的液压缸已投入使用,没有产生泄漏现象,证明了改进设计的合理性。
 
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