陳 霞 白志剛 申國慶 張 萍 范偉利 邱紅亮 南春輝

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油缸加載平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及有限元分析

陳 霞 白志剛 申國慶 張 萍 范偉利 邱紅亮 南春輝

（長治清華機械廠，長治046012）

加載平臺是油缸拉伸試驗的重要組成部分，針對加載平臺出現(xiàn)的疲勞破環(huán)、加載缸和實驗缸不易對中等問題，提出了加載平臺的優(yōu)化設(shè)計方案。利用三維建模軟件對加載平臺實體建模，并對加載平臺臺架和關(guān)鍵零組件進行有限元分析，實現(xiàn)加載平臺的優(yōu)化設(shè)計。分析結(jié)果表明，該加載平臺可靠性高，使用壽命長，能較好地實現(xiàn)加載缸和實驗缸的對中問題，并使加載缸和實驗缸平穩(wěn)對頂連接，為加載平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有價值的參考。

加載平臺；實體建模；有限元分析

1 引言

在大型裝備制造企業(yè)中，油缸試驗作為檢測油缸的密封性能指標起著至關(guān)重要的作用，而油缸加載平臺作為油缸試驗臺的重要組成部分，它的安全可靠性將直接影響油缸試驗結(jié)果。

目前，油缸加載平臺兩端均為雙支耳結(jié)構(gòu)，分別與加載缸和實驗缸的支耳連接，此加載試驗平臺結(jié)構(gòu)單一，受力分布均勻，對加載試驗臺架的結(jié)構(gòu)要求較低，較容易滿足試驗要求。

本文充分考慮實驗缸的結(jié)構(gòu)特點，首先使用三維建模軟件對加載平臺建立實體模型，并根據(jù)有限元離散理論，對加載平臺依次建立有限元模型、網(wǎng)格劃分、施加邊界條件和邊界理論，通過有限元計算分析得到加載平臺的分析結(jié)果，通過應(yīng)力和應(yīng)變云圖的對比分析，優(yōu)化加載平臺結(jié)構(gòu)，建立安全可靠的油缸試驗加載平臺。

2 油缸加載平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 加載平臺實體模型的建立

油缸加載平臺臺架由工字鋼、長矩形管和短矩形管、固定支耳、半圓支架、定位套筒、筋板組成。其中長矩形管與短矩形管的截面尺寸相同，均為300mm×200mm×8mm,長矩形管的底端通過墊板與工字鋼連接固定，短矩形管與固定支耳連接固定；固定支耳由連接板和兩個耳片組成，為了保證固定支耳加工孔的同軸度，需先將固定支耳與加載平臺臺架焊接固定連接后，鏜刀穿過長矩形管上的孔加工固定支耳上的孔；加載缸和實驗缸底部均通過半圓支架支撐固定，半圓支架與工字鋼固定連接；由于試驗缸端部為非對稱結(jié)構(gòu)，兩側(cè)預留銷孔，實驗缸通過階梯銷與加載平臺臺架連接，加載平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 加載平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 關(guān)鍵零組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

加載平臺關(guān)鍵零組件的結(jié)構(gòu)對加載平臺整體的安全可靠性和使用壽命有著直接的影響，針對加載平臺中的轉(zhuǎn)接耳進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，由于產(chǎn)品的活塞桿末端為球頭螺桿結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)接耳一端與球頭螺桿連接，一端與加載缸的支耳連接，轉(zhuǎn)接耳裝配示意圖和轉(zhuǎn)接耳的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)接耳裝配示意圖

從圖3轉(zhuǎn)接耳結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，轉(zhuǎn)接耳的支耳與加載缸的支耳通過銷軸和開口銷固定連接，一端與實驗缸的球頭螺桿部分連接，裝配時，先將實驗缸的球頭螺桿穿過轉(zhuǎn)接耳，再使用球頭螺母將轉(zhuǎn)接耳與球頭螺桿連接固定，最后將加載缸的支耳使用銷軸與轉(zhuǎn)接耳固定連接。

圖3 轉(zhuǎn)接耳結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 定位套筒結(jié)構(gòu)示意圖

從圖4定位套筒結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，定位套筒為管狀結(jié)構(gòu)，定位套筒與加載平臺臺架中的長矩形管連接，根據(jù)實驗缸的結(jié)構(gòu)特點，實驗缸兩側(cè)端銷孔距中心軸線的長度不同，定位套筒內(nèi)部伸出矩形管的長度也不同，同時為了保證兩根定位套筒的同軸度要求，需先將定位套筒留取一定的加工余量，待其與矩形管焊接固定后，再對鋼管內(nèi)孔進行精加工，并且為了加強鋼管在拉伸試驗時鋼管的受力和降低鋼管的疲勞破壞，需在鋼管的伸出端加加強筋板。

圖5 階梯銷結(jié)構(gòu)示意圖

從圖5可以看出，階梯銷軸的大徑端與鋼管裝配連接，小徑端與實驗缸的銷孔裝配連接，為了保證銷孔受力可靠和防止銷孔的疲勞破壞，小徑端長度略大于實驗缸銷孔的長度。

3 加載平臺關(guān)鍵零組件的有限元分析

為了驗證加載平臺的安全可靠性，對加載平臺的關(guān)鍵零組件建立有限元模型并對其進行有限元分析，根據(jù)強度校核理論分析有限元結(jié)果，當加載平臺關(guān)鍵零組件的最大應(yīng)力遠低于材料的許用應(yīng)力并完全滿足強度要求的前提下，適當減小相關(guān)零組件的厚度尺寸，以節(jié)約加載平臺的生產(chǎn)制造成本。

3.1 加載平臺臺架的有限元分析

加載平臺臺架由矩形管焊接而成，長矩形管采用四面體網(wǎng)格劃分，在矩形管孔的部分進行網(wǎng)格加密，短矩形管采用六面體網(wǎng)格劃分，加載平臺臺架網(wǎng)格劃分示意圖如圖6所示。

圖6 加載平臺臺架網(wǎng)格劃分示意圖

將臺架短矩形管外端面固定，長矩形管上分別施加40000N的載荷，得到了加載平臺臺架的有限元分析結(jié)果，應(yīng)力和應(yīng)變云圖如圖7、圖8所示。

圖7 加載平臺臺架應(yīng)力云圖

圖8 加載平臺臺架應(yīng)變云圖

圖7加載平臺臺架應(yīng)力云圖可以看出，臺架的最大應(yīng)力為14.468MPa，最大應(yīng)力分布在長矩形管孔的邊界，長矩形管采用Q345A材料，材料的屈服極限為345MPa，臺架的安全系數(shù)為23.8，臺架安全可靠。

從圖8可以看出，加載平臺臺架的最大應(yīng)變位置在孔的邊界，最大應(yīng)變?yōu)?.2339e-5mm，Q345A的抗拉強度為470～630MPa，材料的最大應(yīng)力小于抗拉強度極限，加載平臺臺架安全可靠。

3.2 加載平臺轉(zhuǎn)接耳的有限元分析

轉(zhuǎn)接耳是連接加載缸和實驗缸的重要零件，它的強度是影響加載試驗成功的關(guān)鍵因素，根據(jù)有限元離散化理論，對轉(zhuǎn)接耳進行網(wǎng)格劃分，通過設(shè)置邊界條件和施加載荷，完成轉(zhuǎn)接耳的有限元分析，轉(zhuǎn)接耳的網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)接耳網(wǎng)格劃分示意圖

從圖9可以看出，轉(zhuǎn)接耳采用四面體網(wǎng)格劃分，在轉(zhuǎn)接耳上孔的部分進行網(wǎng)格加密，進行邊界條件設(shè)置時，將與實驗缸連接的孔固定約束，與加載缸連接的銷孔施加軸承力載荷，載荷為80000N，經(jīng)過計算得到轉(zhuǎn)接耳的有限元分析結(jié)果。轉(zhuǎn)接耳的應(yīng)變云圖和應(yīng)力云圖如圖10、圖11所示。

圖10 轉(zhuǎn)接耳應(yīng)力云圖

圖11 轉(zhuǎn)接耳應(yīng)變云圖

從圖10可以看出，轉(zhuǎn)接耳最大應(yīng)力分布在施加載荷的銷孔位置，最大應(yīng)力為191.93MPa，轉(zhuǎn)接耳材料為Q345A，材料的屈服極限為345MPa，安全系數(shù)為1.8，轉(zhuǎn)接耳強度滿足加載試驗要求。

4 結(jié)束語

對加載平臺臺架和轉(zhuǎn)接耳等關(guān)鍵零組件的實體模型根據(jù)有限元離散化理論，通過網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、施加載荷，最后通過計算得到有限元分析結(jié)果，根據(jù)強度校核理論對臺架和轉(zhuǎn)接耳的結(jié)構(gòu)進行強度校核，得到了關(guān)鍵零組件的應(yīng)力應(yīng)變云圖。

使用強度校核理論比對應(yīng)力應(yīng)變云圖計算結(jié)果，在保證最大應(yīng)力低于材料的許用應(yīng)力的前提下，適當減小關(guān)鍵零組件的外形尺寸，以降低生產(chǎn)成本。分析結(jié)果表明，此加載平臺安全可靠，強度能保證油缸加載試驗的使用要求。

1 付永忠. Solid Edge零件設(shè)計教程[M]. 北京：北京希望出版社，2002

2 龔曙光. Ansys工程應(yīng)用實例解析[M]. 出版地：機械工業(yè)出版社，2003

3 成大先. 機械設(shè)計手冊[M]. 出版地：化學工業(yè)出版社，2002

4 高澤遠. 機械設(shè)計[M]. 出版地：東北工學院出版社，1987

Structural Design and Finite Element Analysis of Oil Cylinder Loading Platform

Chen Xia Bai Zhigang Shen Guoqing Zhang Ping Fan Weili Qiu Hongliang Nan Chunhui

(Changzhi Qinghua Machinery Factory, Changzhi 046012)

The loading platform is an important part of the oil cylinder stretching experiment. Due to the fatigue damage of loading platform, and difficult centring of the loading cylinder and the testing cylinder an optimal design of the oil tank loading platform was put forward. The loading platform was established by using 3D-modeling software. A finite element analysis of the platform rack and other key components was carried out, in order to find the optimal loading platform. The analysis results show that the loading platform has high reliability and a long life, it can solve the centering problem between the two cylinders, and make a steady connection between the two cylinders, and it provides a valuable reference for optimal design of loading platform.

loading platform；3D-modeling；finite element analysis

2017-09-13

陳霞（1985），工程師，機械設(shè)計及理論專業(yè)；研究方向：工藝裝備及非標設(shè)備的設(shè)計與研究。