油缸加載平臺結構優化設計及有限元分析

陳 霞 白志剛 申國慶 張 萍 范偉利 邱紅亮 南春輝

?

油缸加載平臺結構優化設計及有限元分析

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，針對加載平臺出現的疲勞破環、加載缸和實驗缸不易對中等問題，提出了加載平臺的優化設計方案。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鍵零組件進行有限元分析，實現加載平臺的優化設計。分析結果表明，該加載平臺可靠性高，使用壽命長，能較好地實現加載缸和實驗缸的對中問題，并使加載缸和實驗缸平穩對頂連接，為加載平臺的結構設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中，油缸試驗作為檢測油缸的密封性能指標起著至關重要的作用，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果。

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

本文充分考慮實驗缸的結構特點，首先使用三維建模軟件對加載平臺建立實體模型，并根據有限元離散理論，對加載平臺依次建立有限元模型、網格劃分、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果，通過應力和應變云圖的對比分析，優化加載平臺結構，建立安全可靠的油缸試驗加載平臺。

2 油缸加載平臺結構優化設計

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構，兩側預留銷孔，實驗缸通過階梯銷與加載平臺臺架連接，加載平臺結構示意圖如圖1所示。

圖1 加載平臺結構示意圖

2.2 關鍵零組件的結構設計

加載平臺關鍵零組件的結構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接耳進行了結構優化設計，由于產品的活塞桿末端為球頭螺桿結構，轉接耳一端與球頭螺桿連接，一端與加載缸的支耳連接，轉接耳裝配示意圖和轉接耳的結構示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 轉接耳裝配示意圖

從圖3轉接耳結構示意圖可以看出，轉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接耳，再使用球頭螺母將轉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接耳固定連接。

圖3 轉接耳結構示意圖

圖4 定位套筒結構示意圖

從圖4定位套筒結構示意圖可以看出，定位套筒為管狀結構，定位套筒與加載平臺臺架中的長矩形管連接，根據實驗缸的結構特點，實驗缸兩側端銷孔距中心軸線的長度不同，定位套筒內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 階梯銷結構示意圖

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，對加載平臺的關鍵零組件建立有限元模型并對其進行有限元分析，根據強度校核理論分析有限元結果，當加載平臺關鍵零組件的最大應力遠低于材料的許用應力并完全滿足強度要求的前提下，適當減小相關零組件的厚度尺寸，以節約加載平臺的生產制造成本。

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格劃分，在矩形管孔的部分進行網格加密，短矩形管采用六面體網格劃分，加載平臺臺架網格劃分示意圖如圖6所示。

圖6 加載平臺臺架網格劃分示意圖

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果，應力和應變云圖如圖7、圖8所示。

圖7 加載平臺臺架應力云圖

圖8 加載平臺臺架應變云圖

圖7加載平臺臺架應力云圖可以看出，臺架的最大應力為14.468MPa，最大應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變位置在孔的邊界，最大應變為7.2339e-5mm，Q345A的抗拉強度為470～630MPa，材料的最大應力小于抗拉強度極限，加載平臺臺架安全可靠。

3.2 加載平臺轉接耳的有限元分析

轉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鍵因素，根據有限元離散化理論，對轉接耳進行網格劃分，通過設置邊界條件和施加載荷，完成轉接耳的有限元分析，轉接耳的網格劃分如圖9所示。

圖9 轉接耳網格劃分示意圖

從圖9可以看出，轉接耳采用四面體網格劃分，在轉接耳上孔的部分進行網格加密，進行邊界條件設置時，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，經過計算得到轉接耳的有限元分析結果。轉接耳的應變云圖和應力云圖如圖10、圖11所示。

圖10 轉接耳應力云圖

圖11 轉接耳應變云圖

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

4 結束語

對加載平臺臺架和轉接耳等關鍵零組件的實體模型根據有限元離散化理論，通過網格劃分、邊界條件設置、施加載荷，最后通過計算得到有限元分析結果，根據強度校核理論對臺架和轉接耳的結構進行強度校核，得到了關鍵零組件的應力應變云圖。

使用強度校核理論比對應力應變云圖計算結果，在保證最大應力低于材料的許用應力的前提下，適當減小關鍵零組件的外形尺寸，以降低生產成本。分析結果表明，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零件設計教程[M]. 北京：北京希望出版社，2002

2 龔曙光. Ansys工程應用實例解析[M]. 出版地：機械工業出版社，2003

3 成大先. 機械設計手冊[M]. 出版地：化學工業出版社，2002

4 高澤遠. 機械設計[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，機械設計及理論專業；研究方向：工藝裝備及非標設備的設計與研究。