宋偉倫,蔣文志,張茂金,王守習(xí),賴恩暉

(長安大學(xué)工程機械學(xué)院,陜西西安　710064)

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基于nCode Design-Life的某液壓缸疲勞可靠性分析

宋偉倫,蔣文志,張茂金,王守習(xí),賴恩暉

(長安大學(xué)工程機械學(xué)院,陜西西安710064)

摘要：針對某型徑向柱塞馬達液壓缸工作過程中出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象，在Workbench和nCode Design-Life軟件中對液壓缸進行有限元分析和疲勞可靠性分析。得出該液壓缸的疲勞壽命和疲勞損傷云圖，確定液壓缸的易破壞位置為軸根部，試驗驗證結(jié)果與軟件分析相一致。

關(guān)鍵詞：液壓缸;有限元分析;疲勞可靠性;nCode Design-Life

徑向柱塞單作用液壓馬達以結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、工作可靠等優(yōu)點，已成為世界上生產(chǎn)量最多、主機應(yīng)用最廣泛的一種液壓馬達[1-5]。由于負載大且變化劇烈，導(dǎo)致液壓缸會受到較大壓力并劇烈波動，易產(chǎn)生裂紋從而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力下降無法正常工作，這會給工業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失。因此，對徑向柱塞馬達的液壓缸的疲勞可靠性分析具有重要的實際意義。本文針對某公司徑向柱塞馬達的液壓缸工作過程中出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象，對不同工況進行有限元靜態(tài)特性分析及疲勞可靠性分析，為該液壓缸的優(yōu)化提供依據(jù)，并為其在工作過程中安全使用奠定基礎(chǔ)。

1理論基礎(chǔ)

該液壓缸在循環(huán)載荷的作用下工作，疲勞是其失效的主要形式。因此，了解材料的疲勞性能并根據(jù)其定義時間序列載荷譜，再根據(jù)與各種疲勞相適應(yīng)的損傷模型估算出疲勞壽命，對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行可靠性預(yù)測，從而為其安全使用作出有效地評估[6]。

1.1定義時間序列載荷譜

為進行液壓缸壽命估算和疲勞設(shè)計，用載荷譜[7]描述該液壓缸載荷隨時間變化的情況，載荷譜是對液壓缸實際工況的反應(yīng)，同時對疲勞分析結(jié)果有很大影響，該液壓馬達的連續(xù)轉(zhuǎn)速為n=450 r/min，最高壓力為35 MPa，因此該液壓缸受到的循環(huán)載荷頻率f=7.5 Hz。徑向柱塞馬達為五星馬達，每轉(zhuǎn)動一周液壓缸要經(jīng)歷從高壓到低壓或者從低壓到高壓的過程，可以用正弦時間序列模擬這一實際過程，其中正弦函數(shù)為y=0.5sin(15πt)+0.5。

1.2疲勞可靠性設(shè)計

材料在疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命[8-9]。在疲勞的整個過程中，塑性應(yīng)變與彈性應(yīng)變同時存在。當(dāng)循環(huán)加載的應(yīng)力水平較低時，彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用；當(dāng)應(yīng)力水平逐漸提高，塑性應(yīng)變達到一定數(shù)值時，塑性應(yīng)變成為疲勞破壞的主導(dǎo)因素。為便于分析研究，常按破壞循環(huán)次數(shù)將疲勞分為低周疲勞和高周疲勞。低周疲勞應(yīng)力較低而應(yīng)變較高，破壞循環(huán)次數(shù)一般低于104～105次；高周疲勞應(yīng)力較高而應(yīng)變較低，破壞循環(huán)次數(shù)一般高于104～105次[10-12]。

本文采用S-N應(yīng)力疲勞設(shè)計法。S-N進行疲勞壽命分析主要基于疲勞累積損傷理論，即假設(shè)疲勞損傷和破壞是不斷積累的，最終達到破壞極限，導(dǎo)致疲勞破壞[13-14]。該液壓缸的材料為QT600球墨鑄鐵，其彈性模量E=173.72 GPa，泊松比μ=0.3，屈服強度為 412 MPa，據(jù)此可以得出該材料理論S-N曲線，該液壓缸為鑄件，缸體內(nèi)表面粗糙度為Ra1.6，并且有倒角等加工工藝和表面處理工藝，因此有必要對S-N曲線進行FKM修正，從而得到該液壓缸的修正S-N曲線。

2仿真分析

2.1建模

圖1　某徑向柱塞馬達液壓缸三維模型

在Solidworks中對該徑向柱塞馬達液壓缸進行建模，定義液壓缸材料為QT600，模型如圖1所示。

2.2靜態(tài)特性分析

在疲勞可靠性分析之前需要對其進行靜態(tài)特性分析以確定其疲勞類型[15]，具體實現(xiàn)方式如下：首先將建立的液壓缸模型導(dǎo)入Workbench中，然后為其添加nCode Design-Life材料庫，并設(shè)置材料屬性為SG Cast Iron BS2789 Grade 600/3，然后對其進行網(wǎng)格劃分，共有6 943個單元，12 117個節(jié)點。根據(jù)液壓缸在馬達中的位置及實際工況，對支撐軸及缸體上表面進行全約束，并在缸體內(nèi)表面施加350 MPa的均布壓力載荷。經(jīng)過在workbench中進行有限元計算，得出液壓缸靜態(tài)分析應(yīng)力、變形分布云圖分別如圖2、3所示(圖2中單位為MPa，圖3中單位為mm)。

圖2　液壓缸靜態(tài)分析應(yīng)力分布云圖　　　　　　　　圖3　液壓缸靜態(tài)分析變形分布云圖

圖4　可靠性分析界面

從圖2可以看出，當(dāng)給缸體內(nèi)表面施加35 MPa的均布壓力載荷后，軸的根部以及液壓缸底部位置的應(yīng)力比較大，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在液壓缸底部位置，其值達到了226.72 MPa，小于QT600材料的屈服極限強度412 MPa；從圖3可以看出，最大變形出現(xiàn)在液壓缸內(nèi)壁位置，為0.017 mm，與缸厚的比值小于材料的延伸率3%。從而可以確定該液壓缸工作過程中屬于高周疲勞類型。但是缸體內(nèi)部變形并不均勻，是由于加強筋位置不合適導(dǎo)致，因此可以調(diào)整加強筋的布置來控制缸體在工作中變形均勻，有利于活塞的工作。

2.3疲勞可靠性分析

在靜態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，將其導(dǎo)入到nCode Design-Life中進行疲勞可靠性分析，分析界面如圖4所示。

待各參數(shù)設(shè)置完成后，開始進行求解，得到該液壓缸疲勞損傷云圖和壽命云圖，分別如圖5、6所示,圖5中為累積應(yīng)變，圖6中單位為次。

圖5　液壓缸疲勞損傷云圖　　　　　　　　　　　　　圖6　液壓缸疲勞壽命云圖

從疲勞損傷云圖及疲勞壽命云圖可以得出該液壓缸各部位的疲勞損傷程度。從圖5可以看出，該液壓缸的支撐軸根部和缸底部為薄弱區(qū)域，說明這兩處容易產(chǎn)生裂紋并發(fā)生疲勞破壞，有必要采取相應(yīng)措施進行改善。從圖6可以看出，液壓缸支撐軸根底部和缸底部壽命大約為1.458×106～1.699×107次，這說明在疲勞作用下，其壽命受到了較大的影響。

3試驗驗證

為了驗證仿真結(jié)果的可靠性，對此液壓馬達進行靜壓爆破試驗，根據(jù)測試結(jié)果，該液壓缸在壓力為100 MPa時仍然能夠正常工作，這與靜態(tài)分析結(jié)果基本一致。將此馬達用于0.5 m銑刨機銑鼓上，根據(jù)測試結(jié)果，一半的機器在工作1～3個月左右后出現(xiàn)工作無力的現(xiàn)象，試驗中還發(fā)現(xiàn)其缸體底部或軸根部出現(xiàn)裂紋，如圖7、8所示，這與疲勞可靠性分析結(jié)果基本一致。

圖7　液壓缸軸部裂紋　　　　　　　　　　　　　　　圖8　液壓缸底部裂紋

4結(jié)語

通過對徑向柱塞馬達的液壓缸進行理論分析，結(jié)合Workbench和nCode Design-Life軟件，對徑向柱塞馬達的液壓缸進行了疲勞可靠性分析，得出了液壓缸的疲勞壽命，確定了該型號徑向柱塞馬達的液壓缸相對易出現(xiàn)損傷和疲勞破壞的位置是軸根部，其次是缸體的受力變形不均勻。調(diào)整加強筋的布置位置可以使缸體在工作過程中變形均勻，有利于活塞的正常工作。試驗結(jié)果與軟件分析結(jié)果基本相符合，為徑向柱塞馬達液壓缸分析和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯：郭守真)

Fatigue Reliability Analysis of Hydraulic Cylinder Based on nCode Design-Life

SONGWeilun，JIANGWenzhi，ZHANGMaojin，WANGShouxi，LAIEnhui

(SchoolofConstructionMachinery,Chang′anUniversity,Xi′an710064,China.)

Abstract:For the phenomenon that cracks appear on a certain type cylinder of radial piston motor, the finite element analysis and fatigue reliability analysis are made to the cylinder by using the workbench software and the nCode Design-Life software. As a result, the fatigue life and fatigue damage nephogram of the cylinder is obtained to determine the position which is easy to damage at the bottom. The test result goes with the software analysis.

Key words:hydraulic cylinder; finite element analysis; fatigue reliability; nCode Design-Life

中圖分類號：TH137.51

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)01-0070-04

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.01.013

作者簡介：宋偉倫(1991—)，男，西安人，碩士研究生，主要研究方向為機電液一體化,E-mail:2014125054@chd.edu.cn.

收稿日期：2015-10-22