基于Workbench的AGC伺服液壓缸結構優(yōu)化設計

趙 康，傅連東，劉 良，湛從昌

ZHAO Kang, FU Lian-dong, LIU Liang, ZHAN Cong-chang

（武漢科技大學 機械自動化學院，武漢 430081）

0 引言

軋機伺服液壓缸是AGC液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，工作在AGC液壓系統(tǒng)的閉環(huán)回路中，是回路中的一個關鍵環(huán)節(jié)，其性能指標直接影響系統(tǒng)的精度和動、靜態(tài)品質[1]。因此從軋機AGC液壓缸本身的研究出發(fā)，引入有限元優(yōu)化設計方法，對優(yōu)化伺服液壓缸的設計，提高液壓缸本身和系統(tǒng)的可靠性有著很大的幫助[2]。

1 AGC軋機伺服液壓缸缸體結構優(yōu)化設計

1.1 軋機AGC伺服液壓缸出現的故障

某鋼廠軋機AGC伺服液壓缸如圖1所示。該液壓缸結構為活塞式，活塞直徑為φ=1450mm，液壓缸缸底外直徑D=1850mm缸底厚度h=215mm，缸底與缸壁之間圓弧半徑R=15mm，設計工作壓力23MPa，測試壓力30MPa，設計壽命8年，液壓缸缸底有900mm寬的平面支撐。該液壓缸在使用過程中，沿缸底與缸筒交界處上，以及在進出油口附近區(qū)域出現了大段裂紋如圖2所示。

軋機AGC伺服液壓缸是通過精加工而成，缸底與缸筒交界處及油口附近的應力集中及工作過程中頻繁的沖擊導致了此處出現大段裂紋。為了解決這種故障，設計者提出了一種改進方案：軋機AGC伺服液壓缸缸體壁厚加100mm、缸底厚度加50mm。

圖1 AGC伺服液壓缸缸底

圖2 AGC伺服液壓缸缸底進出油口處裂紋

此改進方案是根據設計者的經驗給出的，具有一定的裕度。軋機AGC伺服液壓缸從缸底到缸壁的過渡區(qū)域產生彎曲應力并有應力集中，此處圓弧半徑太小是缸底破裂的主要原因之一，而此次改進的方案只是增大壁厚和底厚并沒有改變過渡圓弧的半徑。盲目的增大缸壁和缸底的厚度往往會造成材料資源的浪費和設計成本的提高，所以改進方案不是最佳。所以對液壓缸進行優(yōu)化分析是很有必要的。

1.2 優(yōu)化設計結果

在本次優(yōu)化設計中，AGC伺服液壓缸采用的材料是42CrMo。查文獻[3]得其屈服極限為 sσ =930MPa，抗拉強度 bσ =1080MPa。在20℃時其彈性模量為E=210GPa，泊松比為μ =0.3。由于液壓缸承受著交變載荷，考慮其工作的可靠性，安全系數取n=5。則許用應力

利用Workbench軟件完成整個優(yōu)化過程，所得到的優(yōu)化結果如下。

由于液壓缸缸體的結構具有對稱性，并且所受到的載荷也是對稱的，所以只需要建立缸體的四分之一。建立簡化模型如圖3所示。

圖3 液壓缸簡化模型

利用Workbench的目標驅動優(yōu)化功能對液壓缸缸體的尺寸進行優(yōu)化，其中優(yōu)化的液壓缸的尺寸有缸壁的厚度δ，缸底的厚度h，缸底與缸壁之間的過渡圓弧半徑R。三個參數的取值參考理論設計及經驗值，取值的范圍分別如下：

在Workbench的goal driven optimization欄中按照上面公式設置好液壓缸缸體三個參數的取值上下限。仿真得到缸體三個參數與相應的最大應力之間的關系曲線如圖4～圖6所示。

圖4 液壓缸缸壁的厚度 與最大應力值

圖5 液壓缸缸底的厚度與最大應力值

圖6 圓弧半徑與最大應力值

由圖4～圖6可知，液壓缸缸體的最大應力值隨著液壓缸缸壁的厚度的增加而逐漸減小，隨著缸底厚度的增加開始并不發(fā)生明顯的變化隨后逐漸降低，隨著圓弧半徑的增加先減小后增大。所以單純的增大缸底和缸壁厚度來減小最大應力不是最合理的。

對其進行優(yōu)化篩選出最優(yōu)解，最大應力值最小為優(yōu)先級最高，液壓缸的質量在應力滿足情況下取最小，其優(yōu)先級次之。系統(tǒng)篩選出三組較優(yōu)解，其中B組的數據為最優(yōu)解。如表1所示。

表1 三組較優(yōu)尺寸

將液壓缸缸體各尺寸圓整后得：缸壁厚度為212mm、底厚為215mm、過渡處圓弧半徑為22mm。將圓整后數據與設計著按照經驗設計的數據進行對比，如表2所示。

表2 計算值與經驗值對比

圓整后的液壓缸缸體的應力分布圖如圖7所示。

圖7 尺寸圓整后應力分布圖

由圖7可知，油口與過渡圓弧處應力最大且最大應力值為163.03MPa，在材料的許用應力范圍內。

2 結束語

油口附近區(qū)域及油口的對側對稱處最大等效應力減小為163.03MPa低于許用應力，滿足優(yōu)化設計要求，在此前提下液壓缸體優(yōu)化后的質量減小了32.1%。與優(yōu)化前方法相比較該優(yōu)化設計方法使此結構的相關尺寸更加合理，節(jié)省了材料，降低了企業(yè)的生產成本，提高了產品的競爭力。優(yōu)化后的液壓缸壁和缸底過渡圓弧半徑增大，減小了應力集中，有效地提高軋機AGC伺服液壓缸的使用壽命。

[1] 湛從昌,傅連東,陳新元.液壓可靠性與故障診斷(第2版)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2009.

[2] 左林,鄧江洪,吳洋子,李濤,湛從昌.軋機AGC液壓缸的可靠性研究[J].機械工程師,2012,11.

[3] 成大先.機械設計手冊（單行本）液壓控制[M].北京：化學工業(yè)出版社,2010.

[4] 張洪才,等ANSYS Workbench 14.5數值模擬工程實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社,2013.