關(guān)于YCW250千斤頂?shù)膬?yōu)化研究

摘要：由于建筑施工空間越來(lái)越狹窄，因此相應(yīng)的施工機(jī)具希望具備體積小、重量輕的特點(diǎn)，千斤頂是施工機(jī)具的重要構(gòu)成部分，如果能夠減小千斤頂?shù)捏w積，減輕其重量，必然可以大大減少施工工藝材料，縮小工作空間，有利于建筑施工。因此，輕量化、小型化將是千斤頂未來(lái)設(shè)計(jì)的主要方向。本文主要以YCW250千斤頂為研究對(duì)象，引入虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化YCW千斤頂關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)，使其重量和體積達(dá)到最優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：YCW250千斤頂；關(guān)鍵零件；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，水泥強(qiáng)度的提高，導(dǎo)致錨具之間的距離越來(lái)越小，建筑施工空間自然也就日益縮小，對(duì)配套的施工機(jī)具的體積以及重要也提出了更高的要求。目前，在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將千斤頂?shù)闹亓恳约绑w積作為用戶訂單的重要指標(biāo)之一，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者為了減輕千斤頂?shù)闹亓浚瑴p少其尺寸，盡量滿足施工要求，在這方面做出了很多的研究和嘗試。現(xiàn)階段，國(guó)外研發(fā)的一些新型千斤頂產(chǎn)品相對(duì)于我國(guó)國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)明顯更勝一籌，為了能夠趕上甚至超越國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)設(shè)計(jì)水平，我國(guó)應(yīng)盡快進(jìn)行技術(shù)改造，優(yōu)化千斤頂?shù)膮?shù)設(shè)計(jì)。本文研究的YCW250是一種在傳統(tǒng)千斤頂基礎(chǔ)上改造形成的一種新型的通用型預(yù)應(yīng)力穿心式千斤頂，相對(duì)于傳統(tǒng)千斤頂具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是和國(guó)外同期產(chǎn)品的參數(shù)水平相比明顯落后，因此，下面主要引入虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，希望為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)提供一定的指導(dǎo)。

1.關(guān)于YCW250千斤頂?shù)南嚓P(guān)介紹

千斤頂主要是通過(guò)液體這種工作介質(zhì)來(lái)傳遞能量，從而達(dá)到各種工作要求的一種機(jī)器。通常，該種機(jī)器主要包括液壓控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)三部分，其中動(dòng)力系統(tǒng)的工作主要是為千斤頂本體工作提供相應(yīng)的高壓液體，同時(shí)需要接收由回程排回的所有低壓液體。其次，動(dòng)力系統(tǒng)還需要檢測(cè)、攪拌、過(guò)濾并冷卻工作液體，確保工作液體能夠處于最佳的一種工作狀態(tài)。液壓控制系統(tǒng)主要是為了在準(zhǔn)確的地點(diǎn)、時(shí)間將動(dòng)力系統(tǒng)提供的高壓液體輸送到各個(gè)工作處，同時(shí)還需要輸送油缸排回的低壓液體重新回到動(dòng)力系統(tǒng)中。

1.1關(guān)于YCW250千斤頂?shù)闹鳈C(jī)構(gòu)造及基本特點(diǎn)

1.1.1 YCW250主機(jī)的基本構(gòu)造

YCW250千斤頂?shù)闹鳈C(jī)結(jié)構(gòu)主要包括3大部分：①提手。主要是為了方便吊運(yùn)。②“運(yùn)動(dòng)體”。由活塞及其密封件共同組成。③“不動(dòng)體”。主要由后密封板、大堵頭、定位螺母、油缸、后壓緊環(huán)及其密封件、穿心套等組成。具體的構(gòu)造如圖1所示：

圖中的1、2、3、4、5、6、7、8分別表示定位螺母、大堵頭、提手、油缸、活塞、穿心套、后密封板、后壓緊環(huán)。

1.2 YCW250千斤頂?shù)幕咎攸c(diǎn)

YCW250千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫橛?0MPa-80MPa之間，一般工程的液壓系統(tǒng)的工作壓力在35MPa以下，由此可見(jiàn)，千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫ο鄬?duì)而言比較高。因?yàn)閷?duì)于千斤頂?shù)闹亓烤哂休^高的要求，在工作過(guò)程中必須保證安全性，因此，對(duì)于千斤頂構(gòu)件，不管是在結(jié)構(gòu)方面、材料方面還是在強(qiáng)度方面都具有較高的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，高壓缸體的直徑比較大，但是缸體外、內(nèi)徑的徑比相對(duì)較低，而且在實(shí)際工作過(guò)程中很容易出現(xiàn)變形，因此很難選擇端部靜密封設(shè)計(jì)和活塞的動(dòng)密封設(shè)計(jì)，特別是在缸體變薄后，這種動(dòng)靜密封設(shè)計(jì)之間的矛盾會(huì)更加突出。其次，通常千斤頂?shù)母左w占到總重量的44%左右，其中重量占比較大的是穿心套和活塞桿，因此在千斤頂?shù)妮p量化設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)重點(diǎn)考慮缸體設(shè)計(jì)，然后再考慮其他部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，千斤頂?shù)拿芊饧Y(jié)構(gòu)可靠性相對(duì)較差，在高壓端的靜密封部分主要應(yīng)用的是O型圈加擋圈的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的超壓適應(yīng)能力相對(duì)較差，一旦缸壁變薄或者壓力升高后，極易出現(xiàn)泄漏。

1.3關(guān)于YCW250千斤頂?shù)幕緟?shù)

千斤頂?shù)幕炯夹g(shù)數(shù)據(jù)就是基本參數(shù)，主要是按照千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)類型，也即是工藝用途進(jìn)行確定，這些基本參數(shù)可以真實(shí)的反映出千斤頂?shù)幕咎攸c(diǎn)及其工作能力，基本上也可以確定千斤頂?shù)谋倔w重量以及輪廓尺寸。主參數(shù)是所有基本參數(shù)中最重要的參數(shù)，主要代表的是其規(guī)格，是千斤頂型號(hào)的重要一員。為了提高產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化，減小產(chǎn)品的尺寸和規(guī)格，從而滿足施工的各種要求，降低成本，使產(chǎn)品更易于維修，制定出了YCW100、YCW150、YCW250、YCW400、YCW500、YCW650等多種規(guī)格的產(chǎn)品。其中YCW250千斤頂?shù)幕緟?shù)如下：①主參數(shù)——公稱張拉力。在名義上千斤頂可以發(fā)出的最大力量，主要反映的是千斤頂?shù)墓ぷ髂芰ΑCW250公稱張拉力為2480KN。②公稱油壓。主要是指在工作行程中，千斤頂對(duì)活塞作用時(shí)產(chǎn)生的最大油壓。YCW250公稱油壓為54MPa。③張拉活塞面積。主要是指在工作時(shí)，千斤頂?shù)墓ぷ髅娣e。YCW250張拉活塞面積為45920mm2。④回程活塞面積。在回程過(guò)程中，千斤頂活塞的工作面積，YCW250為28020mm2。⑤回程油壓。主要是指回程時(shí)，千斤頂作用于活塞的油壓。YCW250在25MPa以下。⑥張拉行程。主要是指活塞最大的移動(dòng)距離，對(duì)于油缸、活塞以及相關(guān)零件長(zhǎng)度具有直接的影響。YCW250為200mm。⑦主機(jī)質(zhì)量以及外形的尺寸。主要是指千斤頂?shù)妮p便程度以及工作空間。YCW250主機(jī)質(zhì)量為164kg，主機(jī)外形尺寸為370mm×Φ285mm。

1.4 YCW250千斤頂關(guān)鍵零件的主要技術(shù)要求

YCW250千斤頂需要在50℃環(huán)境下工作，如果是采用的防塵圈及密封圈材料是聚氨酯材料，應(yīng)注意液壓油的防潮、防水性能以及周圍的環(huán)境條件。在空載情況下，千斤頂不可以出現(xiàn)外泄漏，而且其啟動(dòng)油壓應(yīng)<公稱油壓的4%。在滿載情況下，內(nèi)泄漏性能情況，若液壓千斤頂?shù)膬?nèi)泄漏量采用沉降法進(jìn)行測(cè)量，則5min內(nèi)活塞的回縮量應(yīng)<0.5mm。如果采用壓降法進(jìn)行測(cè)量，則5min內(nèi)壓降值應(yīng)<公稱油壓的5%。而其外泄漏性能要求在試驗(yàn)內(nèi)泄漏性能的過(guò)程中并沒(méi)有出現(xiàn)外泄漏。

1.5 千斤頂主要零件的強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)相關(guān)計(jì)算，主要零件強(qiáng)度：①油缸。千斤頂?shù)挠透妆诤駪?yīng)為18.10m，自增強(qiáng)應(yīng)力應(yīng)為132MPa，初始屈服應(yīng)力為116MPa，安全系數(shù)為6.27，內(nèi)半徑變形值為0.105mm，外半徑變形值為0.099mm。②穿心套。外徑變形值為0.05mm，安全系數(shù)應(yīng)為5.27，工作應(yīng)力應(yīng)為150MPa。③活塞。安全系數(shù)為15.5，最大工況壓應(yīng)力為51.2MPa。④前后堵頭螺紋。安全系數(shù)為5.01，相當(dāng)應(yīng)力為159.5MPa，剪應(yīng)力為62.4MPa，彎曲應(yīng)力117MPa。根據(jù)上述強(qiáng)度結(jié)果分析可知，YCW250千斤頂?shù)陌踩禂?shù)較高，可有效確保主要零件的安全應(yīng)用，但是這樣的設(shè)計(jì)肯定會(huì)增加零件重量，從而增加千斤頂?shù)目傊亓俊＞唧w的尺寸圖如圖2所示。

2.YCW250千斤頂輕量化設(shè)計(jì)的基本思想

由于在實(shí)際工作中，千斤頂?shù)母邏呵挥蛪撼惺芊秶?0—80MPa，因此，千斤頂優(yōu)化設(shè)計(jì)者最主要考慮的問(wèn)題是確保在高壓環(huán)境下，千斤頂?shù)闹鳈C(jī)能夠安全、正常、可靠的運(yùn)行，同時(shí)應(yīng)盡可能減小千斤頂?shù)捏w積，減輕其重量。比如，可以選擇部分輕金屬以及強(qiáng)度較高的臺(tái)金鋼。在確保安全的基礎(chǔ)上，盡量將安全系數(shù)減小，優(yōu)化千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)。在密封部分應(yīng)盡量采用比較可靠、安全系數(shù)較高的動(dòng)、靜密封元件。下面筆者主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.1關(guān)鍵零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代高科技的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性提出了更高的要求，同時(shí)由于新控制方法的涌出，系統(tǒng)也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，在這種情況下，如果仍然采用人工的方式建立物理模型或者進(jìn)行系統(tǒng)分析，難度系數(shù)較大，需要投入大量的人力、物力，研究效率也比較慢，因此建議引入現(xiàn)代化先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)作為研究工具，分析實(shí)際物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性，分析實(shí)際系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而確定一個(gè)最佳的系統(tǒng)控制方案，這種仿真分析方法可使研究分析的結(jié)果可靠性增加，減少工程造價(jià)，大大縮短研究周期。就本次研究的YCW250千斤頂而言，其主要零件的安全系數(shù)相對(duì)較高，因此，可以通過(guò)適當(dāng)降低各零件安全系數(shù)的方法減輕千斤頂?shù)闹亓俊＿@個(gè)研究可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元受力分析，并且精確計(jì)算其變形情況，這樣就可以為千斤頂?shù)淖冃巍⑹芰Φ膬?yōu)化提供科學(xué)的參考依據(jù)。

2.2油缸的高壓處理

為了確保缸體工作的強(qiáng)度及其可靠性，本次應(yīng)用了基于彈塑性理論的設(shè)計(jì)原理，借助厚壁圓筒結(jié)構(gòu)的自增強(qiáng)機(jī)理，對(duì)油缸采用了超壓預(yù)處理的工藝，設(shè)計(jì)了一種和高壓武器身管的液壓自緊工藝較為類似的一種系統(tǒng)工藝，均勻分化了缸壁的內(nèi)應(yīng)力，從而整體的缸體強(qiáng)度增強(qiáng)。油缸的體積之前是18168036.1mm3，結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化后體積縮小為15622111.05mm3，體積總體縮小了2545925.05mm3，相對(duì)于初始體積縮小了16.97%，在很大程度上節(jié)省了材料，降低了成本，提高了機(jī)械的工作效率，降低了耗能。其次，經(jīng)過(guò)高壓處理，可將存在質(zhì)量安全隱患的材質(zhì)排除，也排除性能不達(dá)標(biāo)的油缸，可確保在工作壽命周期內(nèi)千斤頂能夠安全的工作。油缸在優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)圖如圖3、圖4所示。

在最大的張拉力工況情況下，最大的油缸應(yīng)力在于配合活塞張拉力最大承載面的內(nèi)表面處，在最大應(yīng)力周圍區(qū)域的應(yīng)力也相對(duì)較大，經(jīng)過(guò)油缸優(yōu)化后的應(yīng)力云圖分析，可以發(fā)現(xiàn)最大的油缸應(yīng)力并未表現(xiàn)出明顯變大，這也說(shuō)明如果繼續(xù)將油缸的幾何約束條件放寬，可能會(huì)繼續(xù)減輕油缸的重量。油缸優(yōu)化后的張拉應(yīng)力云圖如圖5所示。

2.3采用新型密封裝置進(jìn)行優(yōu)化

密封的目的主要是為了避免泄漏工作介質(zhì)，避免灰塵、氣體等進(jìn)入，一旦密封失效將會(huì)導(dǎo)致停位失準(zhǔn)，運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)，甚至無(wú)法停位，無(wú)法有效控制壓力，嚴(yán)重的話可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障，造成嚴(yán)重的后果，因此對(duì)于千斤頂?shù)拿芊庑阅芤筝^高。目前，千斤頂活塞密封主要采用O形圈、Yx形圈、擋圈，而且會(huì)添加銅質(zhì)導(dǎo)向塊，但是一旦筒體變薄、壓力過(guò)高，或者溫度升高，都可能會(huì)導(dǎo)致密封失效。因此，建議應(yīng)用新型的自緊式超高壓密封系統(tǒng)以及活塞密封結(jié)構(gòu)。格萊圈相比于O形圈、Yx密封圈而言具有摩擦系數(shù)低、使用壽命長(zhǎng)、尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、密封效果好等優(yōu)點(diǎn)。在O形圈基礎(chǔ)上加帶錐面的三角形擋圈的自增強(qiáng)密封結(jié)構(gòu)，可隨著壓力的不斷增加而加大其密封面的壓力，確保缸體在變形后也保持良好的密封效果，確保千斤頂?shù)墓ぷ靼踩院涂煽啃浴?/p>

綜上所述，千斤頂作為重要的施工機(jī)具組成部分，優(yōu)化其體積設(shè)計(jì)、重量設(shè)計(jì)對(duì)于減少施工機(jī)具的占地空間，減輕施工機(jī)具的重量具有極其重要的現(xiàn)實(shí)作用。油缸是千斤頂中的主要零件，其重量占比最高，因此在千斤頂?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)研究過(guò)程中首先必須考慮油缸，在確保油缸安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上再綜合設(shè)計(jì)其他各零件，從而減少千斤頂?shù)恼w重量以及體積，降低成本，有效提高千斤頂?shù)墓ぷ鬟\(yùn)行效率。

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作者簡(jiǎn)介：林泉（1973.04-），女（壯族），廣西柳州人，廣西大學(xué)（湖南大學(xué)在職研究生），講師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用教學(xué)和科研工作。

本課題為2015年度廣西壯族自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目 課題名稱：YCW250千斤頂?shù)膭?dòng)態(tài)仿真分析及優(yōu)化研究