某型裝載機液壓油箱開裂分析及改進

朱長壽，韋麗麗，農棉庚，向上升

（1.廣西中源機械有限公司，廣西 柳州 545007；2.廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

液壓油箱是裝載機液壓系統的主要組成部分，主要有貯存液壓油、析出油液中氣體、沉淀雜質等作用[1]。如果油箱結構出現裂紋液壓油泄漏，不僅造成液壓油浪費，嚴重的會導致液壓泵吸空，液壓系統無法正常運行，液壓元件使用壽命降低。因此，合理設計液壓油箱結構，確保其結構可靠是十分必要的。

某型裝載機上市后陸續出現開裂漏油問題，我們對其液壓油箱進行拆解分析和仿真分析，找出了油箱開裂的原因，并針對原因提出改進方案。

1 拆解分析

某型裝載機液壓油箱外形結構（圖1），主要由箱體、空氣濾清器、加油蓋等組成。其中，箱體結構（圖2）尺寸為520 mm×550 mm×930 mm，由8 mm厚的L型安裝板、4 mm厚的非對稱U型圍板以及4 mm厚的頂板構成。所有故障均發生在油箱圍板右側平面與安裝板相連的主焊縫處，整機工作時間集中在1200 h附近，外反饋情況如圖3所示。對開裂部位進行局部裁切，如圖4所示，發現疲勞源出現在圍板焊趾部位，逐步擴展，最后疲勞破壞出現開裂。

圖1 液壓油箱外形結構

圖2 箱體結構

圖3 液壓油箱開裂外反饋照片

圖4 故障件拆解照片

2 仿真分析

2.1 有限元模型與計算條件

模型化液壓油箱的有限元模型，如圖5所示。以該油箱作為研究對象，有限元模型與原液壓油箱尺寸保持一致。

圖5 有限元模型

計算條件根據液壓油箱的固定形式和實際受力情況進行加載。該液壓油箱通過安裝板的6個安裝孔與整機車架連接固定，整機作業過程伴隨著工作裝置的油缸活塞桿往復運動，液壓油箱內部的液壓油會處于吸回油狀態，液面會上下變化，致使油箱內部的氣壓交替變化，實際測試獲得氣壓最大為35 kPa。因此，設定以下的約束和載荷，如圖6所示：

圖6 約束與載荷

（1）約束液壓油箱安裝板6個安裝孔的所有自由度；

（2）油箱內部空氣壓力比大氣壓大35 kPa；

（3）將油液的質量等效為質量點載荷，并將油液對液壓油箱內部壓力等效為與油液深度成正比的梯度壓力[2]。

2.2 仿真結果

利用ANSYS Workbench線性靜態結構分析模塊對有限元模型進行分析[3]，獲得液壓油箱的變形云圖，如圖7所示；應力分布云圖如圖8所示。經過分析云圖可知，液壓油箱的最大形變出現在圍板右側平面，最大應力出現在圍板右側主焊縫處，與故障部位吻合。

圖7 改進前液壓油箱變形云圖

圖8 改進前液壓油箱應力分布云圖

對圍板右側焊縫處的應力做切片處理，如圖9所示，其最大應力值達到242 MPa。

圖9 改進前圍板右側焊縫處應力分布云圖

通過以上分析知道，液壓油箱在整機作業過程其內部氣壓交替變化，導致圍板右側平面交替出現變形，在圍板右側焊縫附近形成最大可達242 MPa的應力，該應力值超過了板材Q235B的屈服強度，板材在經受一段時間的疲勞載荷后出現破壞。因此，圍板右側應力過大是導致該液壓油箱開裂的根本原因。

3 改進方案及驗證

3.1 改進方案

從以上分析知道，液壓油箱圍板右側應力過大是造成開裂問題的主要原因。以降低開裂部位的應力為優化目標，制定改進圍板結構的方案：圍板右側平面取消沖壓凹槽，增加2條折彎筋，如圖10和圖11所示。

圖10 圍板結構

圖11 改進后圍板右側邊緣的局部放大

改進前后結構對比：改進前圍板右側平面中部是沖壓凹槽結構，對于箱型結構增加沖壓凹槽通常作為加強平面板材剛度的一種手段。由于該液壓油箱的圍板結構左右不對稱，圍板右側平面的面積達到0.51 m2，在承受內部氣壓后，圍板右側平面中部即使有沖壓凹槽結構支撐變形依然很大，最終焊縫處的應力很大。改進后的圍板取消沖壓凹槽，增加兩道折彎筋，圍板右側平面的面積減小19.6%，變為0.41 m2，在承受內部氣壓后，變形減少，焊縫處的應力下降，并且因為折彎筋剛度大能夠減弱圍板右側平面中部變形傳遞的拉伸。

3.2 方案驗證

對改進后的液壓油箱進行仿真分析，其應力分布如圖12所示，圍板右側焊縫處的應力分布如圖13所示，最大主應力結果見表1。圖12結果顯示，改進后的液壓油箱應力分布明顯改善，分布均勻，無應力集中。從圖13和表1結果可以看出，開裂部位的最大主應力由改進前的242.0 MPa下降為199.5 MPa，下降17.6%，小于板材Q235B的屈服強度，滿足使用要求。說明該液壓油箱的改進方案有效。

圖12 改進后液壓油箱應力分布云圖

圖13 改進后圍板右側焊縫處應力分布云圖

表1 改進前后有限元分析結果對比

4 結語

通過對液壓油箱的拆解分析和仿真分析，找出了油箱開裂的原因，并針對原因提出改進方案。有限元分析結果表明，改進后液壓油箱最大應力下降17.6%。經過對100臺裝有改進后液壓油箱的某型裝載機進行約1500 h的現場跟蹤調查，未發生油箱開裂問題，說明改進方案取得了較好的改進效果。