自卸汽車舉升液壓缸力學分析及有限元仿真

姚立澤，李寧，李卓，張新敏

（1.102618 北京市 北京交通運輸職業(yè)學院；2.063000 河北省 唐山市 天地科技有限公司唐山分公司）

0 引言

自卸汽車是利用車載動力驅動液壓舉升機構，將車廂與地面角度逐漸增大，并依靠車廂本身重力回位的車輛。自卸汽車的應用領域很廣，涉足工業(yè)、礦業(yè)、電力、水利、建筑等多種行業(yè)領域，其主要用途為載運貨物并能自動卸貨，省去人工卸貨環(huán)節(jié)，減少人力投入[1]。

自卸汽車按貨物傾卸方向分類，可分為后傾式、側傾式、三面傾卸式、底板翻式4 種類型，其中后傾式和側翻式最常見，如圖1 所示[2]。無論是哪種類型的自卸汽車，都靠液壓系統(tǒng)提供動力，舉升液壓缸是液壓系統(tǒng)的關鍵部件，液壓選取與設計將影響舉升汽車的使用性能、安全性能及工作效率。本文以自卸汽車舉升液壓缸為例，提出一種傳統(tǒng)力學與仿真相結合的分析方法，提出優(yōu)化改良建議，為各類汽車舉升液壓缸設計、選型提供參考。

圖1 自卸汽車常見類型Fig.1 Common types of dump truck

1 液壓缸主要參數

自卸汽車舉升液壓缸關鍵部件有缸體、活塞、活塞桿等，主要參數[3-4]具體見表1。

表1 舉升液壓缸主要參數Tab.1 Main parameters of lifting hydraulic cylinder

2 傳統(tǒng)力學分析

缸體和活塞桿是液壓缸的主要部件，其強度影響車輛舉升安全、液壓系統(tǒng)的使用壽命，因此要分別對缸體和活塞桿進行校核,具體方法借鑒丁紹南等對立柱、活塞桿等部件的校核計算方法[5]。

2.1 穩(wěn)定性

舉升液壓缸完全伸長或僅伸出一半時均應按最不利工況考慮，前者因為液壓缸過長而導致穩(wěn)定性不利，后者是綜合判斷液壓缸長度與載重而得出的穩(wěn)定性不利工況。

活塞桿和油缸的慣性矩分別為

單伸縮油缸的穩(wěn)定性條件為

式中：PK1——油缸穩(wěn)定性極限力；Pm——油缸最大工作阻力。

穩(wěn)定性條件的適用范圍計算：

式中：l1——活塞桿頭部到最大撓度處距離。J1和J2已求出，則根據，查極限力計算圖可得。因此，根據穩(wěn)定性條件及適用范圍，可以確定自卸汽車舉升液壓缸穩(wěn)定性狀況[6]。

2.2 活塞桿強度校核

在舉升液壓缸承受最大壓力時，油缸的撓度可按式（5）計算：

式中：δ1——舉升液壓缸的撓度；Δ1——活塞桿與導向套處的最大配合間隙；Δ2——活塞與缸體處的最大配合間隙；l——液壓缸完全伸出總長；G——立柱總重。

無加長桿活塞桿的合成應力：

式中：A——活塞桿截面積；W——活塞桿斷面模數。

2.3 缸體強度校核

設壁厚為δs，3.2的缸筒為中等壁厚鋼筒，強度條件如下：

缸體與缸底焊縫強度按式（10）計算：

安全系數計算：

將安全系數與手冊要求的合理安全系數對比，可以確定自卸汽車舉升液壓缸油缸部分強度狀況。

3 基于有限元軟件的仿真分析

傳統(tǒng)的力學分析方法是保證初步設計可靠的重要理論依據，然而存在計算過程復雜繁瑣、難以直觀呈現的弊端，借助CAD 虛擬樣機和CAE仿真分析優(yōu)化不僅可以縮短設計周期、節(jié)約勞動成本，還能使分析結果直觀地呈現出來，精準確定不利點[8]。

3.1 模型的建立與網格的劃分

仿真分析時，一些學者采用整體建模裝配分析方法，對缸體、活塞、活塞桿同時分析，其弊端是容易忽略內部復雜受力，網格劃分不利將影響分析結果。本文將在傳統(tǒng)的力學分析基礎上，使用有限元軟件對最不利工況的單個元件進行缸體仿真分析，液壓缸缸體部件不僅承受垂直載荷，其內壁還承受液壓力的作用，一旦載重不均勻，杠桿力還將增大液壓缸受力，其受力復雜程度要超過活塞桿，單個元件仿真分析不僅可以有效彌補傳統(tǒng)力學分析的不足，還能為車輛優(yōu)化設計、輕量化設計提供參考依據[9]。

3.2 參數設置

本文分析缸體采用SOLID 185 單元，彈性模量設置為2.1×105MPa，泊松比設置為0.3。用自由劃分網格的方法劃分網格，網格精度定義為6。劃分的網格共有6 641 個單元，2 145 個節(jié)點。

3.3 施加載荷

自卸汽車舉升液壓缸在承受軸向荷載時，活塞桿的力完全通過油液傳遞給缸體，因此可以看作缸體部分承受來自油液的壓強，模擬流體施力特點把液壓缸缸體部分底端完全約束，將汽車載重量考慮系數后轉化為對缸臂內表面施加壓強，對缸體內壁底面和側面分別施加16 MPa均勻載荷[10]。

3.4 求解結果分析

最大應力出現在缸體的上部內側，應力大小為44 MPa，在考慮安全系數的前提下，應力值符合材料的許用應力要求，如圖2 所示。

圖2 缸體應力分布等值線圖Fig.2 Contour map of cylinder stress distribution

3.5 基于仿真分析的液壓缸改良設計思路

讀取缸體應變等值線圖，如圖3 所示。可以判斷從缸體底部到頂部，應變量呈線性上升趨勢。

圖3 缸體應變分布云圖Fig.3 Strain distribution nephogram of cylinder block

再結合應力等值線圖分析，最不利點的部位恰恰出現在應變最大位置處。可將液壓缸缸體設計成倒錐形，從液壓缸缸體底部到頂部使壁厚呈線性增大，突破標準化框架的液壓缸設計將更能滿足強度、穩(wěn)定性的要求，在同等強度、穩(wěn)定性的要求下將更節(jié)省材料，便于輕量化改良設計。

4 結語

舉升液壓缸是自卸汽車重要部件，通過傳統(tǒng)力學計算與有限元仿真軟件相結合的分析方法可以提升液壓缸選型設計、改良設計的質量與效率。傳統(tǒng)力學分析是機械設計與仿真分析的基礎，有限元仿真分析是傳統(tǒng)力學分析的補充與延伸，通過應力、應變等值線圖找到最大應力點，得出應變分布規(guī)律，促進改良設計思路的提出，將更能促進產品輕量化發(fā)展，延長部件的使用壽命，從而提升自卸汽車工作安全性、可靠性。