某千斤頂總成靜態特性計算分析

郭俊材，吳 畏，鄭 劍，杜國新，趙宗方，徐 宇

(中國核動力研究設計院第一研究所，四川 成都 610213)

0 引 言

千斤頂作為一種輕便式的起重設備，主要用于在某一行程范圍內頂開重物。它的使用范圍非常廣泛，不僅是各種機動車輛的必備工具，在建筑、鐵路、汽車維修等部門也有著廣泛的應用[1]。作為一種專門用于承受重物的機械結構，其在工作載荷作用下的靜態特性是設計人員首先關注的焦點，因此，在千斤頂機械結構設計過程中非常有必要對其進行靜態特性分析。在過往的機械結構設計中，存在著大量的靜態特性分析案例。譚云波等人[2]以某桁架式門式起重機為研究對象，對該起重機金屬結構的靜態特性進行了分析，分析結果為該門機結構的優化改進提供了數據參考。盧正偉[3]利用有限元軟件對某滑動軸承的軸承座的靜態特性進行了分析，獲取了結構的應力云圖、位移云圖等靜態特性參數指標。聶文武等人[4]則以某重型商用車的傳動軸為分析對象，采用仿真與試驗相結合的方法，對其強度進行了分析，分析結果為該傳動軸的優化提供了數據參考。蒲凡等人[5]應用Solid Works軟件對某立式加工中心立柱進行了靜力學分析，獲取了結構在典型工況下的靜態特性參數。李磊等人[6]利用有限元分析軟件ANSYS Work-bench對某車床主軸箱進行了靜力學分析，得到了機床主軸箱模型結構的應力和應變大小。方學良等人[7]以某全承載式客車車身骨架為研究對象，對緊急制動和右后輪懸空工況進行了靜態特性。羅義等人[8]針對某直驅式數控轉臺主軸，采用強度理論和有限元方法對其強度和剛度進行了計算與校核。本文以某液壓千斤頂總成為研究對象，利用有限元軟件，對其靜強度及穩定性進行了分析，分析結果為該千斤頂總成的優化設計提供了理論依據。

1 空心傳動軸結構有限元模型

此研究分析的某千斤頂總成，主要用于支撐重物，其由斜撐桿、底板和三級柱塞泵構成，按照千斤頂的使用工況，該總成主要承受沿豎直方向(軸向)的4×104N的壓力，同時承受大小為20 Pa的側向風載荷。該總成結構的材料為Q235鋼，特性如表1所列，強度校核時取安全系數1.3，則該千斤頂總成材料的許用應力為175 MPa。

表1 Q235鋼材料特性參數

此項研究借助有限元軟件ANSYS，對該千斤頂總成進行有限元建模，建模時在不影響計算精度的前提下，按照有限元建模的原則采用來簡化處理，忽略了結構組成的車輪、耳板、螺栓等小零部件，以及構件上的鍵槽等，底板采用板殼單元建模，其他部件采用梁單元建模，分析時，考慮一級柱塞和二級柱塞全部伸出的工況，因為此時柱塞滿行程時，為最危險工況，總成有限元模型如圖1所示，整個模型被離散成8個單元，8個節點。

圖1 千斤頂總成有限元模型

2 靜強度分析結果

有限元模型建立后，按照該千斤頂總成的工作狀態對其進行約束和加載。

具體的約束和載荷如下：

(1) 考慮到工作時，車輪與地面接觸為彈性接觸，忽略車輪的支撐作用，只考慮斜撐桿底部接觸地面，將三根斜撐桿底部全約束。

(2) 液壓缸頂部承受豎直向下的載荷及水平方向載荷。其中，豎直向下的載荷來自于被支撐的重物，其大小取決于重物的重力；水平載荷主要取決于被支撐的重物承受的風載荷，本文假設重物承受的風載荷為均布載荷，將風載荷等效為作用于液壓缸頂部節點的水平集中力和力偶矩，在計算時，將力偶矩以力偶形式施加在液壓缸的節點上。

通過上述分析，該液壓千斤頂總成承受的載荷如表2所列。

表2 千斤頂總成承受的載荷 /N

通過計算，根據第四強度理論，提取該液壓千斤頂總成整體結構的工作應力[9]。圖2給出了其應力云圖，圖3為斜撐桿結構的應力云圖。

從圖2和圖3中可以看出，該液壓千斤頂總成承受的最大工作應力為18.654 MPa，位于斜撐桿頂端區域(如圖3所示)，該最大應力值遠小于材料的許用應力。另外，從圖4的斜撐桿工作應力云圖可以看出，該總成結構的三根斜撐桿承受的工作應力基本上都在17.146～18.654 MPa之間，均遠小于材料的許用應力。從上述分析結果可以得出，該液壓千斤頂總成結構的設計滿足靜強度條件。

圖2 千斤頂總成結構整體應力云圖

圖3 斜撐桿結構工作應力云圖

3 斜撐桿穩定性分析結果

為了確保該千斤頂總成在工作時，不會出現側翻，在進行設計時有必要對斜撐桿結構進行穩定性分析。

在該液壓千斤頂總成工作時，斜撐桿主要承受壓力和彎曲的共同作用。在考慮重力的情況下，對斜撐桿結構進行穩定性分析時，可將其看成受彎矩和壓力共同作用的梁，其穩定性按式(1)計算：

(1)

式中：N為作用在構件上的軸向力；φ為穩定性系數；可以從起重機設計規范中[10]的相關表格中查找;A為構件橫截面面積；Mx、Wx、My、Wy為構件承受的彎矩及截面彎曲系數；[σ]為構件材料的許用應力。

將參數值代入式(1)得到斜撐桿的穩定性分析結果如下：

(2)

從式(2)中計算的結果可以看出，該斜撐桿的穩定性滿足要求。

4 結 論

基于有限元法，利用有限元軟件ANSYS對某千斤頂總成結構的靜態特性進行了分析，通過計算考察了結構總成的靜強度及穩定性特性。通過分析得出如下結論。

(1) 在工作載荷作用下，該千斤頂總成結構承受的最大工作應力值為18.654 MPa，該值小于材料的許用應力，說明該結構的靜強度特性滿足使用要求。

(2) 該千斤頂總成結構在工作載荷作用下不會出現側翻，斜撐桿結構的穩定性滿足使用要求。

以上結論對該千斤頂總成結構的后續優化設計提供了理論依據，為其他同類結構的設計分析提供了參考，具有一定的工程研究意義。