輪式起重機液壓油缸性能有限元分析研究

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州市，225101） 郭長城

利用有限元分析方法對輪式起重機液壓油缸嵌強度和穩(wěn)定性進行分析，能夠?qū)?fù)雜的液壓油缸結(jié)構(gòu)分解為有限元模型，利用參數(shù)化方式快速生成相應(yīng)的模型，有效縮短設(shè)計時間、提高設(shè)計效率，控制設(shè)計成本。通過對輪式起重機液壓油缸性能細(xì)化分析，提升設(shè)計水平和生產(chǎn)效率，提升輪式起重機力學(xué)性能，不僅能夠提升設(shè)備整體運行水平，還能夠為企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益提升起到良好促進作用。

1 輪式起重機液壓油缸有限元分析的意義

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬，將物理結(jié)構(gòu)劃分為簡單而又相互作用的元素（單元），利用有限數(shù)量的未知量逼近未知量的真實系統(tǒng)，將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)換為簡單問題進行求解，實現(xiàn)多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜形狀工程結(jié)構(gòu)分析。輪式起重機運行性能主要受液壓油缸運行參數(shù)影響，在產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)，某一參數(shù)改變都會對整體性能產(chǎn)生影響，采用傳統(tǒng)方法進行分析，不僅分析結(jié)果準(zhǔn)確性不足，工作效率也較為低下，使得產(chǎn)品設(shè)計難以滿足生產(chǎn)變革和技術(shù)革新要求，難以滿足產(chǎn)品整體性能優(yōu)化要求[1]。通過有限元分析方法的應(yīng)用，能夠有效提升設(shè)計工作效率，對液壓油缸結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化，在有效提升起重機液壓油缸性能基礎(chǔ)上，推動我國輪式起重機產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

2 輪式起重機液壓油缸有限元分析方法

2.1.輪式起重機液壓油缸結(jié)構(gòu)及工作原理

輪式起重機液壓油缸包括垂直油缸、水平油缸、變幅油缸、配重油缸、伸縮油缸等類型，在機械作業(yè)工況中，分別起到控制起重機支腿結(jié)構(gòu)、改變起吊物品高度、調(diào)節(jié)起重機配重、調(diào)節(jié)吊臂長度等作用，滿足設(shè)備功能實現(xiàn)要求。以某型號輪式起重機為例，忽略對油缸強度影響較小的部分，可以將組成結(jié)構(gòu)分為前部結(jié)構(gòu)和后部結(jié)構(gòu)，其中前部結(jié)構(gòu)主要包括油缸桿鉸耳、油缸桿缸蓋、導(dǎo)向套、芯管接頭、芯管活塞等；后部結(jié)構(gòu)則主要包括桿小頭、活塞及芯管導(dǎo)向套等。這些零部件多是以焊接方式進行連接，能夠有效節(jié)約加工時間，降低材料損耗，在進行有效的密封和潤滑處理后，滿足不同作業(yè)要求下部件相對運動要求[2]。輪式起重機液壓油缸在工作中，是通過變幅油缸在一定范圍內(nèi)的伸縮變動，將作業(yè)范圍由垂直的直線擴展為二維作業(yè)面。

2.2 輪式起重機液壓油缸參數(shù)化建模

參數(shù)化建模是利用專門的計算機軟件，將分析對象的幾何特性轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀文Ｐ偷幕驹兀⑼ㄟ^自由參數(shù)對各個元素的關(guān)系進行分析。以本課題液壓油缸參數(shù)化模型構(gòu)建為例，是利用Creo軟件進行建模，選取具有代表性的零部件進行分析。依照不同構(gòu)件在運行中的作用方式不同，可以分為旋轉(zhuǎn)件零部件建模（如桿小頭）、拉伸件零部件建模（如鉸耳）等。在主要零部件參數(shù)化模型搭建完成后，利用信息坐標(biāo)系骨架模型分析對應(yīng)零部件之間的裝配關(guān)系。

2.3 輪式起重機液壓油缸有限元分析應(yīng)用

有限元分析是在對分析對象進行參數(shù)化建模后，分解成若干結(jié)構(gòu)進行離散，用近似函數(shù)表達(dá)結(jié)構(gòu)的未知場變量，再通過約束條件下的有限元方程求解，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強度、剛度及穩(wěn)定性等性能進行分析。以輪式起重機液壓油缸的有限元分析為例，是在進行參數(shù)化建模后，再利用ANSYS 軟件分析計算。

3 輪式起重機液壓油缸強度有限元分析

3.1 有限元建模

有限元建模是液壓油缸強度分析的基礎(chǔ)，實際應(yīng)用中可以采用外部導(dǎo)入建模和軟件內(nèi)語言建模兩種方式，在依據(jù)模型基本形式確定單元類型和網(wǎng)格密度的同時，選擇合適的建模方法。模型結(jié)構(gòu)要在確保計算結(jié)果準(zhǔn)確性、滿足系統(tǒng)運算能力基礎(chǔ)上，盡量予以簡化，篩選出不必要的結(jié)構(gòu)，避免由于細(xì)節(jié)過多導(dǎo)致計算失敗，盡量使用平面模型代替三維實體模型[3]。本課題研究中，采用Creo 軟件建立三維模型后，通過格式調(diào)整導(dǎo)入ANSYS 軟件，搭建液壓油缸三維模型圖，滿足有限元分析要求。

3.2 材料參數(shù)及單元類型設(shè)置

本課題研究中選擇的液壓油缸主要使用鋼材料，材料參數(shù)主要考慮彈性模量、泊松比、密度，在軟件操作界面中，設(shè)置材料名稱及屬性定義，參照所使用材料特性，定義材料數(shù)值。根據(jù)強度的影響因素、單元類型特征和計算實施要求，將模型劃分為實體單元，在合理進行網(wǎng)格劃分，并對接觸單元進行接觸設(shè)置，在保留必要的單元后，有效提升有限元計算精度和計算效率。

3.3 網(wǎng)格劃分及接觸設(shè)置

網(wǎng)格劃分是有限元分析中應(yīng)當(dāng)計算精度和計算效率最為關(guān)鍵的因素，ANSYS軟件能夠以自動生成方式，將導(dǎo)入的模型劃分為合理數(shù)量的網(wǎng)格。將所有零部件網(wǎng)格組裝后，即可獲取整體結(jié)構(gòu)模型。以桿小頭為例，組裝后的有限元模型如圖1所示。接觸設(shè)置是根據(jù)液壓油缸制作中，所采用焊接或螺栓連接方式不同，選擇模型中對應(yīng)的接觸方式，以實現(xiàn)對設(shè)備動態(tài)性能的分析。通常情形下，焊接及螺紋連接設(shè)定為綁定接觸，而相對滑動或有其他動作的連接部位，則設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)滑動接觸。

圖1 變幅油缸桿小頭組裝有限元模型

3.4 邊界條件設(shè)置及載荷施加

液壓油缸性能的有限元分析，必須考慮設(shè)備運行狀態(tài)變換極端情況，在固定狀態(tài)下，設(shè)置x、y、z三個方向上的自由度。設(shè)備運行載荷主要是由自重和油壓變動實現(xiàn)的，在自重相對固定情形下，進行有限元分析時，應(yīng)當(dāng)通過油壓變化具體分析液壓油缸強度性能。油壓模擬，主要是通過在無桿腔處施加均布載荷，利用空間與壓強關(guān)系，明確油缸桿伸出長度變化與油腔內(nèi)油壓變化關(guān)系。

3.5 液壓油缸有限元分強度結(jié)果分析

在搭建液壓油缸有限元模型并進行前處理后，即可選擇根據(jù)起重機工況特征，設(shè)定不同的工況組合，實現(xiàn)對部分零部件的有限元強度分析。在模型中輸入相關(guān)參數(shù)后，即可得出不同工況下應(yīng)力云圖，并得出對應(yīng)的處理結(jié)果。本課題研究中，所選擇的工況組合及應(yīng)力分析結(jié)果如表1所示。

表1 液壓油缸部分工況組合零部件有限元強度分析結(jié)果

3.6 液壓油缸保壓應(yīng)力測試實驗

對液壓油缸主要零部件進行保壓應(yīng)力測試，主要是利用電測法進行，將應(yīng)變片準(zhǔn)確粘貼于被測構(gòu)件表面位置，根據(jù)壓力變化中應(yīng)變片的變形情況，應(yīng)變儀能夠輸出對應(yīng)的應(yīng)力值，以此與有限元計算結(jié)果對比，驗證計算結(jié)果準(zhǔn)確性[4]。本課題研究中，選擇無線靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)進行，將應(yīng)變片分別粘貼于活塞伸出部分、缸筒與缸底連接部位、平衡閥座等位置，通過向缸筒大腔、小腔加載實驗壓力方式，獲取相應(yīng)位置壓力值。對比結(jié)果顯示，缸筒中部和底部位置數(shù)據(jù)偏差小于10%，但缸桿中部數(shù)據(jù)偏差為20%，主要原因是由于模型中沒有對此結(jié)構(gòu)進行模擬，考慮到輸油管路的承載作用，總體偏差也在10%范圍內(nèi)，因此有限元分析結(jié)果偏差在合理范圍內(nèi)，能夠為設(shè)計優(yōu)化提供較為精準(zhǔn)的參考。

4 輪式起重機液壓油缸穩(wěn)定性分析

4.1 穩(wěn)定性分析理論

穩(wěn)定性分析是以結(jié)構(gòu)失穩(wěn)理論為基礎(chǔ)的，在液壓油缸長期運行中，主要是由細(xì)長壓桿承受軸向壓縮載荷作用，在液壓缸產(chǎn)生屈曲前，隨位移、應(yīng)變等線性影響，但是在超出臨界載荷時，則會導(dǎo)致壓桿無法恢復(fù)原有狀態(tài)，該結(jié)構(gòu)和液壓油缸結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定性。

4.2 解析法和有限元計算方法

解析法是考慮變幅油缸固定狀態(tài)下，利用材料力學(xué)公式，求解車架及起重機臂不同連接方式下臨界載荷。連接方式主要有兩端鉸接及一端固接一端鉸接兩種情況，分別計算對應(yīng)狀態(tài)的最大臨界應(yīng)力，即可得出結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)條件。利用有限元法分析壓桿結(jié)構(gòu)的承載能力和失效因素，主要是基于有限元屈曲分析原理，確定壓桿結(jié)構(gòu)在特定載荷狀態(tài)下的穩(wěn)定性，確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷[5]。本課題研究中，是在分析液壓油缸強度基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件中的靜力學(xué)和屈曲計算模塊，完成屈曲分析。但是由于分析過程過于理想化，因此在工程應(yīng)用中，通常選取三至五倍安全系數(shù)，以確保起重機設(shè)備整體運行安全。

4.3 屈曲計算過程及結(jié)果

本課題研究中，以變幅油缸有限元分析為例，具體實施包括如下流程：（1）利用ANSYS 軟件創(chuàng)建靜力學(xué)分析和屈曲分析模塊，并將兩個模塊自動連接。（2）依照有限元分析方法應(yīng)用要求完成相應(yīng)的設(shè)置，采用施加一個單位載荷方式進行靜力學(xué)分析，得出最大臨界載荷，也就是屈曲安全系數(shù)。（3）在系統(tǒng)選項中設(shè)置屈曲計算階數(shù)，通過多次計算對比，提升計算結(jié)果可靠性。（4）完成屈曲計算，獲取屈曲特征值及模態(tài)圖，將屈曲特征值與施加載荷相乘，即可獲取臨界應(yīng)力。本課題研究中，所得出的變幅屈曲安全系數(shù)為2.68371，在與屈曲實驗結(jié)果對比后，即可準(zhǔn)確評估油缸穩(wěn)定性。

4.4 屈曲實驗

屈曲實驗所設(shè)計條件與解析法計算設(shè)定連接狀態(tài)相同，將變幅油缸兩端鉸耳固定于實驗臺后，利用伺服動作器施加載荷，記錄液壓油缸失穩(wěn)變形是的載荷數(shù)值，作為失穩(wěn)臨界載荷[6]。基于實驗結(jié)果與計算結(jié)果對比，可以看出利用有限元方法得出的失穩(wěn)載荷大小與實驗結(jié)果一致，能夠作為液壓油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的參考。在具體實施中，還可以通過增加測試樣本數(shù)量、增加剛度影響等方式，對有限元法進行優(yōu)化，更好的提升計算結(jié)果準(zhǔn)確性，提升設(shè)計優(yōu)化水平。

5 結(jié)語

輪式起重機液壓油缸性能優(yōu)化，是產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)方案制定需要參考的關(guān)鍵因素，在相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)依照有限元分析法應(yīng)用的具體要求，選擇合適的分析軟件，結(jié)合實驗準(zhǔn)確評估不同因素對油缸整體性能的影響，通過具體參數(shù)優(yōu)化，選擇更為合適設(shè)計方案，為有效提升產(chǎn)品性能起到應(yīng)有的促進作用，為輪式起重機產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出積極貢獻。