轴孔过盈配合装拆用液压推拉器的设计与优化--毕业论文.doc

*大学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 机械工程学院 专 业 机械实际制造及其自动化 学生姓名 * 班级学号 1* 指导教师 *副教授 轴孔过盈配合装拆用液压推拉器的设计与优化（The shaft hole interference fit design and optimization of the hydraulic loading cannibalization of push-pull device）*大学毕业设计（论文）任务书学院名称：机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化学生姓名： * 学 号： 1* 指导教师： * 职 称： 副 教 授 毕业设计（论文）题目： 轴孔过盈配合装拆用液压推拉器的设计与优化一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等） 1 提供条件：液压推拉器的使用工况与设计要求。 2 主要内容与要求:(1) 查阅国内外相关文献，了解过盈配合联接机理、过盈配合在轴孔联接中的应用、液压推拉器的分类与工作原理，撰写文献综述，介绍轴孔过盈配合装拆用液压推拉器的研究现状与存在问题；(2) 综合分析轴孔过盈配合装拆用液压推拉器的使用工况，确定液压推拉器的基本结构与总体方案；(3) 计算液压推拉器各零部件的基本尺寸，绘制工程图和装配图；(4) 利用三维软件绘制液压推拉器各零部件的三维模型和装配模型；(5) 利用ANSYS软件分析不同工况下液压推拉器的应力应变，进行液压推拉器的结构优化并校核；(6) 利用CFD相关软件计算过盈联接装拆过程液压推拉器中油压分布规律；并根据仿真结果制定液压推拉器的使用规范。(7) 撰写毕业设计论文，详细阐述轴孔过盈配合液压推拉器的设计优化过程，制定液压推拉器的使用规范并进行毕业设计答辩。二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1. 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）；3. 轴孔过盈配合装拆用液压推拉器的实体模型及工程图一套；4. 轴孔过盈配合装拆用液压推拉器的分析与优化报告一份；5. 液压推拉器工作过程油压分析报告及使用规范一份。三、完成日期及进度2016年3月19日至2016年6月1日。进度安排：1. 2016年3月19日3月31日：阅读相关文献、准备开题报告。提交开题报告、外文文献翻译。2. 4月1日4月10日：综合分析轴孔过盈配合装拆用液压推拉器的使用工况，确定液压推拉器的基本结构与总体方案。3. 4月11日4月20日：计算液压推拉器各零部件的基本尺寸，绘制工程图和装配图并利用三维软件绘制液压推拉器各零部件的三维模型。4. 4月21日5月10日：利用ANSYS软件分析不同工况下液压推拉器的应力应变，完成液压推拉器的结构优化并校核，制定液压推拉器的使用规范。5. 5月11日5月25日：总结前期研究工作，撰写毕业设计论文，提交指导老师审阅，并准备答辩材料。6. 5月26日6月1日：论文修改与毕业设计答辩。四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1. Y. Zhang，B. McClain，X.D. Fang. Design of interference fits via finite element methodJ. International Journal of Mechanical Sciences，2000(42)：1835-1850.2. Hava Hyk，Omer Music，Asuman Koc. Analysis of elastic-plastic interference-fit jointsJ. Procedia Engineering，2014(11)：19-24.3. 饶树林. 大型压缩机叶轮和轴过盈配合无损拆解的研究D. 合肥：合肥工业大学，2014.4. 陈东. 制造对象过盈配合的液压拆解问题研究D. 合肥：合肥工业大学，2013.5. 张小敏. 压缩机叶轮和轴过盈配合拆解的界面研究D. 合肥：合肥工业大学，2015.6. 何亚峰，杨小斌，干为民. 齿轮与轴压装过程过盈配合研究J. 机械传动，2014(12)：33-36.7. 王洪青. 船舶轴系无键联接与有键联接的性能对比分析J. 船海工程，2011(02)：74-80.8. 谢飞，王凯歌. 基于液压无键联接技术的螺旋桨有键湿式联接改进J. 四川兵工学报，2014(01)：84-87.*大学本科毕业设计（论文）摘要过盈配合联接具有传递扭矩大、可靠性强、定心精度高等优点，广泛应用于无键联接，并在无键联接领域占据着越来越重的地位。本文设计了一款轴孔过盈配合装拆用液压推拉器用于装拆过盈配合联接。本文介绍了液压推拉器的装拆工作原理及安装工艺，用三维建模软件SolidWorks建立液压推拉器的三维模型，对曲轴减震器的装拆过程进行运动仿真分析。然后对推拉器体和刚性活塞进行有限元分析，运用ANSYS软件做非线性结构静力学分析，分析液压推拉器的受力以及变形结果以校核其结构。并绘制零件二维工程图。运用CFD计算流体力学分析软件对使用SolidWorks建立的进油以及出油油路模型做流体分析计算。运用Gambit软件对模型做网格划分前处理，Fluent对推压油路流场进行数值模拟，并用图像的形式给出计算结果。这对液压推拉器的实践研究有重要的参考意义。关键词：过盈配合，无键联接，液压推拉器，有限元分析，推压油路，流体分析AbstractInterference fit joint can transfer large torque, strong reliability, centering precision higher merit, widely used in keyless connection, and the keyless coupling field plays a more and more important role. This paper introduces the design of a shaft hole interference fit with the hydraulic push-pull device for dismantling dismantling interference fit joint.This article introduces the working principle and installation technology of the hydraulic push and pull device, and establishes the three-dimensional model of the hydraulic push and pull device with the 3D modeling software SolidWorks. Then the finite element analysis is performed on the push and pull device and the rigid piston. The nonlinear structure statics analysis is made by using ANSYS software. The stress and deformation results of the hydraulic push pull device are analyzed to check the structure. And draw the part two dimensional engineering drawing.Using CFD computational fluid dynamics analysis software to use SolidWorks to establish the oil inlet and the oil circuit model to do the fluid analysis and calculation. Using Gambit software to deal with the model, Fluent is used to simulate the flow field of the thrust and pressure oil path, and the calculation results are given in the form of image. This has an important reference value for the practice of hydraulic push pull device.Key Words：Interference fit，keyless connection，Hydraulic push and pull device，ANSYS，Push pressure circuit，FluentIII目 录第一章 绪论11.1 引言11.1.1 研究背景11.1.2研究目的和意义11.2国内外无键过盈联接液压装拆技术研究与应用21.2.1国外现状21.2.2国内现状31.2.3拆解方法研究21.3本文主要工作41.4本章小结4第二章 液压推拉器设计与运动仿真52.1液压推拉器方案设计52.2液压推拉器的工作原理及基本结构设计62.2.1液压推拉器工作原理62.2.2液压推拉器基本尺寸82.3液压推拉器的主要结构三维模型建立102.3.1液压推拉器器体的三维模型建立102.3.2刚性活塞的三维模型建立112.4液压推拉器辅助配件设计112.4.1推拉器推压进油孔接头122.4.2推拉器涨压油管接头122.4.3垫块的三维模型建立122.4.4密封圈选择132.5液压推拉器运动过程分析142.5.1安装过程142.5.2拆卸过程152.6本章小结15第三章 液压推拉器主要零件的有限元分析173.1有限元分析的理论基础173.1.1 有限元法的基本思想173.2.2有限元法的求解过程183.2ANSYS软件简介203.3ANSYS非线性静力学分析213.3.1液压推拉器器体的ANSYS结构静力分析213.3.2液压推拉器活塞的ANSYS结构静力分析283.3本章小结33第四章 液压推拉器工作过程油压分析344.1 计算流体力学理论基础344.2计算流体力学的计算方法344.2.1有限差分法344.2.2有限元法344.2.3有限体积法344.3Fluent和Gambit简介354.4 液压推拉器工作过程推压油压力分析354.4.1液压推拉器工作过程中推压油路分析354.4.2液压推拉器工作完成时推压油路分析384.5 本章小结41第五章 总结与展望425.1总结425.2展望42致谢44参考文献45第一章 绪论1.1 引言过盈配合指具有过盈的配合，孔的极限偏差与轴的极限偏差的代数差值为负。过盈配合联接就是利用过盈配合使轴与孔紧密抱紧而形成的一种联接方式。工作时，依靠配合产生的压力产生的摩擦传递转矩和轴向力等。其结构简单、承载能力强，在机械零件的装配中占有十分重要的地位。按照所配合的接触面的不同，过盈配合联接可大致分为两类：圆锥面过盈配合联接和圆柱面过盈配合联接。过盈配合联接具有传递扭矩大、可靠性高等优点；相比于传统的螺纹连接、键连接等方式更具有优势，在很多场合下得到越来越广泛的应用1。1.1.1 研究背景目前，柴油机曲轴和曲轴减震器之间配合联接主要采用有键联接和无键联接两种方式2。其中，无键过盈配合联接方式因其具有传递扭矩大、传递可靠性强、定心精度高、结构简单、能够避免在曲轴前端和减震器内孔中开设键槽等优点，在孔轴配合的零部件中应用非常广泛3。装拆技术是产品维护的关键环节。目前对装拆技术的研究主要集中于无损拆解即非破坏性拆解4。无损拆解不同于传统的拆解，其拆解后的零部件能够通过相当小的成本修复使之再次得到使用，且能够保证产品的质量。对采用过盈配合联接的柴油机曲轴减震器装拆过程的研究能够避免减震器装拆过程中曲轴表面和减震器内孔的刮伤，保证曲轴和减震器之间联接的可靠性，对柴油机的维护和产品质量具有重要意义。1.1.2 研究目的和意义早在1930年，过盈联接就已出现在机械工业中并且有了一定程度的发展。为了推广过盈联接的应用，德国定制了过盈配合计算与应用国家标准DIN7190；英国也对不同材料的厚壁圆筒过载试验，提出了国家标准草案，并作为国际标准的基础。而我国的研究起步较晚，1981年在山东工学院成立试验小组研究过盈配合，利用厚壁圆筒过盈配合做了很多压入、压出的试验等，参与制定了国内首个相关标准公差与配合，过盈配合的计算与选用5。时至今日，过盈配合研究已经有了相当规模的发展。过盈配合的装配也有多种方式，如压入法装配、温差法装配和液压法装配等。不同的装配方式会跟配合面产生不同的效果，带来的影响也不同，进而过盈配合的效果也有相应的差异。过盈配合联接主要分为两类圆锥过盈联接与圆柱过盈联接，圆柱面过盈联接配合后的过盈值的大小，是根据联接要求的紧固程度选择的；圆锥面过盈连接是利用包容件与被包容件相对轴向位移后相互压紧而获得过盈联接的。两者结构大体相似，但后者多采用油压进行装拆，采用的工具主要有液压螺母6、液压推拉器等。1.2国内外无键过盈联接液压装拆技术研究与应用1.2.1 拆解方法简介（1）温差法温差拆装方法是一种十分普遍的方法，在过盈配合零部件的安装与拆卸中应用相当广泛。是过盈配合的零部件的装配和拆解经常使用的一种方法，由于其操作过程简单、成本低等优势，国内外很多厂家都利用这种方式进行再制造的拆解。温差拆解的基本原理是利用电感加热、火焰加热等方式对零部件加热，使轮毂产生一定的膨胀量，以减小轮毂和主轴之间的过盈量而减小拆解难度。当轮毂和轴的膨胀量的差值等于过盈量的时候，初始的过盈量就被消除，这时即可轻易完成装备的拆解7。（2）液压法液压装拆技术主要是利用压力油产生的液压对过盈配合进行装拆。基本原理是通过高压油泵将压力油注入到曲轴上预先开设的油孔，对孔类被安装间的内孔表面施加一个径向压力，使孔类零件在弹性形变范围内膨胀，从而把过盈配合变成间隙配合。再给孔类零件施加一个轴向推压8，使其能够装配到轴类零件上；最后卸去涨压，孔类零件内控收缩还原与轴类零件形成过盈配合联接。（3）优缺点对比与温差拆解相比液压拆解更具研究价值。第一，温差拆解需要把握好温度以及时间，而液压拆解能直接运用液压系统提供稳定的压力；第二，温差拆解需要考虑的问题很多，零件的受热降温如果不均匀会对装拆带来困难，甚至对轴造成损伤；液压拆解不会出现这种现象相反还能产生一个高压油膜，降低摩擦作用，保护接触表面，有利于实现无损拆解11。1.2.2 国外现状近年来，正是因为过盈联接在工程应用中的重要性，各国都进行了大量的该项研究工作，开始关注轴毂过盈联接的弹塑性和接触区的非线性问题及轴毂应力分布的影响因素。基于经典弹性力学中拉梅方程的方法不再适用，所以各国学者近年把有限元分析方法引入到过盈连接的应力分析中，可以更加精确的分析轴毂中应力的分布情况以及过盈联接的影响因素，提高过盈联接的可靠性。在国内外液压拆解和组装技术已经非常成熟，在国外，瑞典斯凯孚（SKF）的研究和液压安装的发展和拆卸方法广泛应用于过盈配合联接孔组装和拆卸轴类零件以简单高效拆解锥形轴和圆柱形轴9。德国的舍弗勒集团FAG开发了一种无需开设液压油槽和注油管道的液压拆卸工具，通过对轴承的两端密封，以防止高压油卸载的方法在轴承内圈相配合的表面以形成高压油膜层进行轴承的装拆10。德国萨尔（SCHAAF）有限公司也已经开发出了一系列用于不同条件的GripLoc液压联轴器，主要是由一个厚壁外套，薄壁内套，保护套，其中厚壁外套内圈与薄壁内套外圈的配合采用一定锥度微锯齿配合结构，有效地防止了内部和外部壁的松动。采用厚壁外壳产生的微圆形锥壁内套的挤压产生足够的接触应力，这能够实现转矩的传递，并且具有结构紧凑、安全可靠等优点11。液压法装拆过盈连接通常用于圆锥面的过盈配合联接中，圆锥面过盈联接的压合距离更短、所需轴向力小、能保护配合表面、而且能够重复使用不影响强度12。1.2.3 国内现状由于国内的液压技术成熟较晚，对过盈配合装拆技术研究较少，主要有：陈东13研究压缩机叶轮的过盈配合拆解，提出液压方法的无损拆解。饶树林14的研究为叶轮的过盈配合的无损拆解提供数据支撑。朱亚军15 研究了压缩机过盈配合的温差拆解。张小敏16研究压缩机叶轮和轴心，建立了一套接触表面损伤规律以及表面损伤评价体系。武汉理工大学对螺旋桨轴和桨毂的液压无键装配做了研究。其中虞朝晖17对液压安装及过盈配合原理作了介绍，研究不同推入量条件下的螺旋桨轴和桨毂受力情况。但家骏18介绍了过盈配合的径向过盈量和轴向推入量的计算方法并设计了螺旋桨无键液压安装测控系统。20世纪90年代我国对机车车轴和车轮注油压装技术做了标准19。赵景思20等人提出了有关对注油压装工艺中压装曲线的修订建议。杨广雪21、 曾飞22 、宋川23等做了有关过盈配合联接的微动疲劳损伤的研究。郑家宝24对优化了轮对过盈配合压装曲线。1.3本文主要工作本课题以某船用柴油机曲轴减震器过盈配合装拆过程工程分析为依托，进行过盈配合联接液压装拆工具液压推拉器的设计与优化，其主要目的是在曲轴减震器液压装配过程中能实现一次装配，避免过装配和二次装配现象的发生。曲轴减震器过盈配合液压装拆过程的基本原理是利用高压油泵将高压油液体通入曲轴和减震器预设的油路和输油槽中，使曲轴和减震器在应力许可范围内产生弹性变形，同时，借助液压推拉器等辅助工具，利用高压油液将减震器推入曲轴前端锥体部位，当轴向推入量达到设定位置后，卸去液压油使减震器主轮毂收缩固定在曲轴前端，由于弹性变形作用使曲轴和减震器之间产生复合应力，而他们之间由一定摩擦系数，因而在锥面之间产生抱紧力，从而可以实现曲轴和减震器的可靠联接。但是在实际操作中曲轴减震器的轴向推入量无法精确控制，在液压装拆过程中容易出现推入量过多导致的过装配现象和推入量不足所需要的二次装配现象发生。因此，本课题以避免曲轴减震器液压装拆过程中过装配和二次装配现象的发生为目的，设计和优化液压推拉器，以实现曲轴减震器轴向推入距离的精确控制。1.4本章小结本章主要讲解了曲轴振动的由来，减震器的功能作用；进一步的引出拆装减震器的话题；本章还介绍了过盈配合国内外的发展状况，为液压推拉器的研究提供了技术基础及理论支持。最后，阐述了本文的主要工作内容，对液压推拉器的结构设计并分析。第二章 液压推拉器设计与运动仿真2.1 液压推拉器技术要求本论文要求设计一款轴孔过盈配合装拆用液压推拉器，需要完成对曲轴减震器的安装与拆卸。并且能够实现对曲轴减震器的安装推入距离进行控制的功能，避免曲轴减震器液压装拆过程中过装配和二次装配现象。2.2 液压推拉器方案设计曲轴减震器的液压无键联接形式，主要是通过压力油的液压压力，使曲轴减震器的内轮毂在材料弹性变形范围内产生径向膨胀，同时利用液压推拉器（相当于一个液压油缸）的轴向压力将曲轴减震器定量推入，当轴向推入量达到所需要的推入量，曲轴减震器安装到位后，液压推拉器轴向推入到位卸去径向的液压压力，从而使曲轴减震器的内轮毂收缩固定在曲轴的锥体部位上，从而曲轴减震器与曲轴形成过盈配合连接，曲轴减震器与曲轴便能够可靠地连接在一起，从而可传递扭矩25-26。然而在实际操作中曲轴减震器的轴向推入距离无法做到准确的控制。为保证曲轴减震器的轴向推入距离精确控制，在曲轴减震器液压装配过程中能实现一次装配，避免过装配和二次装配现象的发生；需要在曲轴减震器到达安装位置之后，及时卸去液压油使减震器的位置不再移动，再卸去涨压油使减震器主轮毂收缩固定在曲轴前端。为了实现这个目的，可以在液压推拉器的器体上开设一个泄油孔；当液压推拉器在工作时，推动曲轴减震器运动。当到达指定位置时，液压推拉器的活塞与推拉器器体上的泄油孔相遇，推拉器内部的高压油经由泄油孔排泄出，卸掉多余的推压。主要结构安装工艺如图2-1所示：图2-1 无键连接减震器安装工艺示意图2.3液压推拉器的工作原理及基本结构设计2.3.1液压推拉器工作原理液压推拉器是利用高压油泵将高压油液体通入曲轴预设的注油通道27中，对曲轴减震器施压，使曲轴和曲轴减震器在材料的屈服强度的许可范围内产生弹性变形，同时依靠液压推拉器等工具，利用高压油液将曲轴减震器从曲轴前端锥体部位推入 28，当轴向推入量达到设定位置后，卸去液压油使曲轴减震器主轮毂收缩固定在曲轴前端，形成过盈配合联接。由于弹性变形作用使曲轴和减震器之间产生复合应力，而他们之间有一定的摩擦系数，因而能够在接触面之间产生抱紧力，从而可以实现曲轴和曲轴减震器的可靠联接。液压推拉器大体分为两部分，分别是液压推拉器器体以及刚性活塞。液压推拉器的工作原理如图2-2所示：安装过程：(1)利用高压油泵通过油管向推压注油孔3注入高压油，推拉器体1推动曲轴减震器5轴向移动；(2)当推压泄油孔的位置到达行程控制面时，推压注油孔3输入的油压从推压泄油孔4输出，液压推拉器中的油压趋近与零，曲轴减震器5自动停止移动。图2-2 安装原理图1.推拉器体 2.刚性活塞 3.推压注油孔 4.推压泄油孔 5.曲轴减震器 6.曲轴拆卸过程：拆卸曲轴减震器的原理类似，但需要把液压推拉器进行反向安装，同时增加一个辅助用途的垫块，如图2-3。（1）利用高压油泵向推压注油孔注入压力油，推拉器体1带动曲轴减震器5移动退出曲轴；（2）当推拉器达到行程控制面是，推压注油孔3输入的油压从推压泄油孔4输出，完成拆卸。图2-3 拆卸原理图1.推拉器体 2.刚性活塞 3.推压泄油孔 4.推压注油孔 5.曲轴减震器 6.曲轴2.3.2液压推拉器基本尺寸液压推拉器的基本尺寸如图2-4所示：活塞的内径D1为曲轴上的内孔的工艺尺寸；D2的尺寸为与曲轴相匹配的尺寸，与曲轴前端尺寸一致；D3和此处的主要作用是伸进曲轴减震器支撑曲轴减震器的主轮毂，其尺寸主要依据曲轴减震器的类型不同而变化；g是销孔的直径，此销孔用于定位活塞在曲轴上的安装位置；D6为一通孔，用于安装螺栓固定活塞与曲轴，他的主要位置尺寸根据曲轴上的螺纹孔确定。D5为液压推拉器内孔尺寸，D4为液压推拉器体的预设厚度。为液压推拉器推压注油孔距离右支撑面的距离，为液压推拉器的推压泄油孔到有支撑面的距离，为液压推拉器的预设长度；是一个导向销的直径，用于限制活塞与推拉器体的旋转自由度。活塞的的油沟处为行程控制面，当行程控制面到达泄油口时卸去油压，推拉器停止推动。另外形成控制面设有一小阶梯，目的是为了当活塞在初始状态时高压油能顺利进入。图2-4 液压推拉器基本尺寸图2-5 推入距离的尺寸链如图2-5所示，根据尺寸链计算得液压推拉器的推入长度，注油孔距离为增环，整体尺寸为增环，泄油孔距离、轴向推入距离和封闭环为减环，得到：本文设计的为跟某一类型的曲轴减震器相配合使用的液压推拉器，因此其尺寸根据曲轴以及减震器选择。能得到其基本尺寸为：活塞内径D1=102mm，活塞外径D2=180mm；推拉器凸缘外径D3=208mm；推拉器外径D4=290mm；推拉器内经D5=216mm；使用的螺栓为M20规格，螺栓通孔D6=22mm；b的尺寸有曲轴减震器主轮毂确定b=28mm；导向销f=8mm；定位销选用M20的圆柱销直径g=20mm；推压注油孔的距离由液压推拉器的厚度决定，本文设定为；泄油孔距离为；推拉器的长度c可按需求选择，选择。图2-6 推入距离尺寸链计算根据图2-6轴向推入距离计算：推入距离=推入距离基本尺寸+上下偏差；.2.4 液压推拉器的主要结构三维模型建立SolidWorks软件是一款相当强大的三维建模软件，为用户提供了一个良好的创作环境，不仅功能丰富，而且组件繁多。使用SolidWorks能够很容易的把设计者的想法展现出来，给人以更加直观的感受，并能够更加清晰地把你的设计想法展现给他人。SolidWorks还具有装配功能，能够将简单的、单一的零件进行组装形成一个完整的、复杂的装配体。此外，SolidWorks强大的处理系统不仅可以对模型进行复杂的机构运动学分析，而且也可以进行复杂的动力学分析29。通过一些简单的设置，就能够赋予其运动能力。更加生动的诠释出设计者所设计的产品的运动原理、工作过程和用途。本课题为轴孔过盈配合装拆用液压推拉器的设计和优化，需要用到的SolidWorks软件功能有：三维建模、虚拟装配、运动仿真等。2.4.1 液压推拉器器体的三维模型建立如图2-7所示，在液压推拉器中，推拉器器体是极其重要的组成部分之一，右端凸缘部分主要与曲轴减震器的主轮毂接触，并使用螺栓组将其固定在主轮毂上。销孔用来定位推拉器与曲轴减震器的装配位置。在推拉器器体上开设有两个油孔，一个为推压注油孔，另一个为推压泄油孔。两个孔的位置相差为23mm，此距离为曲轴减震器手动推入安装在曲轴上之后，到达精确安装位置的距离。同时内部有一凹槽，可安置挡油环，以便达到密封的目的。推拉器体与活塞相连。图2-7 推拉器器体2.4.2 刚性活塞的三维模型建立如图2-8所示，与推拉器器体相配合的刚性活塞，刚性活塞主要安装在推拉器器体内侧，并与曲轴前段通过一组螺栓组想固定连接在一起。活塞右端面上有一个销孔，用于定位刚性活塞在曲轴上面的安装位置。活塞上还开设了一个通孔，用于安装涨压油管，使高压油能够进入到曲轴，经由曲轴上预先开设好的油孔进入，从而对曲轴减震器施加一个径向压力使曲轴减震器的主轮毂膨胀。另外活塞前端开设有一个键槽，此键槽用来限制刚性活塞安装在推拉器器体内部之后的旋转自由度。活塞前端沟槽内部可放置挡油环，起到密封的用途。图2-8 刚性活塞2.5 液压推拉器辅助配件设计推拉器的配件主要有注油孔接头、泄油孔接头、垫块、销以及螺钉等。2.5.1 推拉器推压进油孔接头如图2-9所示，螺母与推拉器器体相配合，并与高压油管连接在一起。通过高压油泵将液压油传递到推拉器内部，推动推拉器器体运动，从而带动与推拉器器体相连的曲轴减震器在曲轴上的运动。螺母与油管接触部分使用1/4吋的锥螺纹30。锥螺纹16:1的锥度能使缠绕的生料带均匀分布在螺纹上，能更好的密封。另外锥管螺纹具有更厚的铁管壁，因而能够承受更高的压力，更好的密封液体或者气体。图2-9 推压接头螺母2.5.2 推拉器涨压油管接头如图2-10所示，涨压油管主要与曲轴前端相配合，穿过活塞。柱螺纹端与曲轴连接，锥螺纹端与高压油管连在一起。圆柱螺纹采用G1/4A，圆锥螺纹采用NPT1/4。图2-10 涨压油管接头2.5.3 垫块的三维模型建立如图2-11所示，垫块用在曲轴减震器的拆卸过程中，起到辅助的作用。拆卸曲轴减震器的原理是安装曲轴减震器的逆过程，正好与安装相反。将推拉器进行反向安装，为了填充内部空间，固定活塞与曲轴的连接，就要一个垫块把活塞与曲轴紧紧连接在一起。从而，为顺利拆卸提供保证。图2-11 垫块2.5.4 密封圈选择合理的选择密封件对液压工作元件的性能发挥有着密切的关系，而液压推拉器工作过程是一个低速的往复过程，O型密封圈常用于这种环境的密封。（1） 尺寸选择原则密封圈的截径应尽可能大点，以达到更好的密封效果。（2） 内径与截径选择原则如表2-1所示。表2-1 O型圈尺寸选择参考数据内径d1（mm）12125050100100200200截径d2（mm）12.651.83.5534.53.55.55安装后初始压缩量：拉伸：压缩：当压力在3060Mpa范围内，选择（2025）%。式中：d1O型圈内径；d2O型圈截径；dada=d1+d2；d3径向孔密封底经；d6径向轴密封沟槽底径； 拉伸量； 挤压量。安装沟槽填满率：最终，经计算选择O型密封圈密封圈1型号d1=200mm，d2=7mm；密封圈2型号d1=180，d2=7。三维模型如图2-12。图2-12 密封圈2.6 液压推拉器运动过程分析2.6.1 安装过程如图2-13所示，安装过程的爆炸视图。安装时，首先将曲轴减震器进行手动推入一定的距离。接下来，先将注油孔接头与螺钉安装到推拉器体上，再将刚性活塞跟推拉器体安装到一起并插入销；安装到曲轴上，通过安装在曲轴和减震器上的定位销确定好曲轴跟减震器的安装位置。然后，通过螺栓组将活塞与推拉器体分别固定在曲轴前端、曲轴减震器主轮毂上。最后，安装涨压油管。运动仿真时，首先模拟高压油通过涨压油管进入曲轴，对减震器主轮毂施加径向油压，使减震器主轮毂膨胀；然后在曲轴减震器上添加一个线性马达，模拟推拉器推压注油孔注入高压油时，高压油推动曲轴减震器进行移动的过程。当推入量达到安装位置上，高压油经由推压泄油孔流回到油箱；压力保持恒定。然后卸去涨压油，减震器主轮毂收缩，与曲轴形成过盈配合联接。拆掉推拉器，完成安装。图2-13 安装过程爆炸视图2.6.2 拆卸过程如图2-14所示，拆卸过程的爆炸视图。拆卸过程是安装过程的逆向过程，需要将推拉器进行反向安装。拆卸时，首先将活塞跟推拉器体配合好插入圆柱销。然后安装垫块在活塞右端与活塞紧固在一起；垫块的用途是为了保证推拉器工作时顶在曲轴上，方便推拉器体将曲轴减震器拉出。接下来安装好螺栓组进行固定推拉器与曲轴减震器。最后，安装涨压油管。运动仿真时，先通入涨压油到曲轴给曲轴减震器的主轮毂施加径向压力，使得曲轴减震器的主轮毂膨胀扩大，减震器与曲轴的过盈配合联接转变为间隙配合。然后，给推拉器体上的注油孔注入高压油，推拉器体带动曲轴减震器运动，逐渐退出曲轴。退出过盈配合区域后，卸掉高压油。曲轴减震器回复到正常状态，拆除液压推拉器，手动卸下曲轴减震器。即完成拆卸。图2-14 拆卸过程爆炸视图2.7 本章小结本章主要介绍了液压推拉器的工作原理，并对推拉器的结构方案进行分析设计推拉器的基本结构。介绍了利用三维建模软件SolidWorks的理论基础，建立起推拉器器体、刚性活塞等主要模型的三维模型；绘制了曲轴减震器跟曲轴的简化模型用于演示运动仿真。并展示了液压推拉器的一些主要辅助配件的三维图。最后，展示了曲轴减震器安装过程以及拆卸过程的爆炸视图，直观地介绍了安装过程和拆卸过程的安装步骤及工作流程。第三章 液压推拉器主要零件的有限元分析近年来现代科学技术飞快进步，各种科学产品也朝着更大规模化发展。同时，这也带动了对工程师的更大的要求，需要工程师对产品性能的预测更加精准；对其结构的强度需求，各种工作环境的模拟，以免造成不可估量的损失。1940年l1月7日美国塔可马悬索桥就由于跟风发生共振垮塌。不仅带来了巨大的财产损失，也给人们带来了生命威胁。为了避免这种损失，传统的方法已经行不通；急需需求新的出路。近年来，在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了一个有效的途径。3.1有限元分析的理论基础3.1.1 有限元法的基本思想有限元法分析是综合数学、力学以及计算机科学混合在一起而形成的一种科学31。有限元分析的基本思想是把要分析的对象由整体划分为有限数量的单元，进行研究。在这个过程中，把连续体划分有限数量单元的过程叫有限元的离散化。这些单元仅仅在各个节点处连接并传递载荷，这个载荷称为节点荷载。当连续体受力变形，各个单元也产生变形，产生的位移叫节点位移。利用离散成的有限元单元集合替代连续结构体，建立起近似的力学模型，求解计算该模型，分析单元建立其位移与内力之间的方程，再将单元组合成整体，形成整体结构的刚度方程。离散单元的节点的各个节点设置、性质和数量等需要根据实际情况需要进行设置，通常在一般情况下，单元划分越精细得到的变形情况越真实，越接近实际情况，但同时也会带来更大的计算量，耗时更久，对计算机的硬件要求也会更高。因此，单元的类型、数目、形状、大小以及排列方式都需要根据实际情况进行合理的布置。这样才能将结构分割成足够小、足够精确的单元，同时又不能太小造成计算量过大。从单元分析，确定节点力跟节点位移的关系，建立单元刚度矩阵32。并根据离散化结构的联接方式，将各个离散单元的单元刚度矩阵统一，就能够得到反映整体结构的位移与载荷的关系的总刚度矩阵。求解该刚度方程，就能计算出各个离散单元的位移，加以分析就能求出单元应力及其单元应变。从而，可以得到有限元分析的求解过程的基本步骤：单元离散化、单元分析和整体分析。3.2.2有限元法的求解过程应用有限元分析的方法求解问题的计算步骤比较繁多，这里只介绍其中的主要步骤33 34。（1） 整体结构的离散化有限元分析法把连续结构体划分成一定数量的单元，彼此之间通过单元边界上的节点相连。以节点位移量作为未知量，组成集合体并添加上约束条件，就形成了有限元计算模型。有限元法实质是无限多个自由度的连续体简化为有限个自由度的单元模型，把复杂的问题简单化，使其能用数值求解。离散化是有限元法的基础，是有限元分析至关重要的第一步。离散化的具体内容包括合理选择单元类型、单元尺寸大小、布局以及单元节点的连接方式。单元的尺寸大小跟计算结果的精度密切相关。单元尺寸足够小，精度才越高；单元尺寸足够大，工作量才越少。经分析证明，单元的数量跟计算时间以及计算精度之间存在着一个特殊关系；当单元数量达到某一临界值时，继续增加单元数量对计算的精度提升并不大，相反却会极大地增加计算时间。因此，合理的选择单元的数量，对有限元的分析具有重大的意义。划分单元应当遵循一些基本原则，在一些重要的、关键的受力部位应划分得更小更精密；其他部位可采用大单元和低精度单元；在应力集中、梯度大处，单元应适当划分细一点。（2） 离散的单元分析1）单元位移模式单元位移函数是指单元内点的位移随位置而变化的函数关系式，近似的反映出单元位移分布。结构体离散化之后，就能够用节点位移把位移、应变、和应力等基本物理量表示出来，用近似函数进行描述。这种函数称为位移函数，如，其中是待定系数，是与坐标有关的某种函数。2）建立单元刚度方程选定好单元的类型及位移模式之后，利用虚功原理或最小势能原理建立好单元刚度方程，其系数矩阵称为单元刚度矩阵。 (3-1)式中：e单元编号； K单元刚度矩阵；单元的节点位移； F单元的节点力向量。单元分析中最关键的一步是根据所划分的单元的基本属性，找出单元节点与位移的关系式。3）计算等效节点力离散化结构体后，各个单元之间通过节点处传递力。与真实连续体不同，真实连续体力通过公共边界传递的。因此，两者之间就需要进行转化，等效地施加在节点上，用等效节点来代替单元上所受的力。以三角形单元为例35。如图3-1所示，三角形有三个节点i，j，m。在平面问题中每个节点有两个位移分量u，v和两个节点力分量，。三个节点共六个节点位移分量可用列阵体表示： （3-2）图3-1 3节点单元实体结构同样可把作用于节点处的六个节点力用列阵表示： （3-3）应用虚功原理和弹性力的学理论就能得到节点位移与节点力之间的关系式中：单元刚度矩阵。（3）整体分析整体分析是要对各个单元组合起来的整体结构进行分析。它的目的是要整合所有单元刚度矩阵，从而建立起整体的平衡方程，形成总刚度矩阵。整体刚度矩阵是整体的力向量同位移向量之间的关系矩阵，能据此建立整体节点力和位移之间的关系式，即 （3-4）式中：整体刚度矩阵；全部节点位移组成的阵列；全部节点载荷组成的阵列。在这个关系式中只有是未知量，因此求解该线性方程组就能得到各节点的位移。再将节点位移代入相应的式子中即可求出各单元的应力分量。（4）求解未知节点位移在上述关系式中，只有是未知量。因此，求解该线性方程组就能够求得各节点的位移。（5）计算单元应力与应变求解出节点位移后，再根据相应的公式，就能求得个单元的应力分量与应变。（6）分析结果后处理，对计算的结果进行整理，分析。绘制变形云图。3.2ANSYS软件简介目前国内外应用比较广泛的有限元分析软件主要有ANSYS、Abaqus、Partran/Nastran、Hypermesh等，这几种软件的基本功能都很相似。ANSYS在多物理场耦合方面更出众；Partran/Nastran多用于航空航天；Abaqus主要用于非线性处理；Hypermesh多用于汽车行业因为其强大的前后处理功能。其中，ANSYS应用更为广泛，逐渐被引入到机械结构强度的分析计算和设计上来。ANSYS是一种大型通用有限元软件36，能够在多种工作环境下运行。ANSYS还具有多物理场耦合功能，为多领域多变化的工程提供了可靠性。ANSYS软件的特点有：（1）建模能力强能够使用软件自身进行一些简单的建模，也可以利用其余的三维建模软件例如SolidWorks、Pro/E、UG等进行复杂模型的建立，然后导入到ANSYS进行分析。同时还能够自定义各种材料的特性、创建边界条件、建立约束真实模拟各种材料。并按照需求划分网格。（2）求解能力强ANSYS包含有许多种求解方式，求解精度高。（3）后处理功能强ANSYS还具有强大的后处理功能，能获得结构变形图、应力应变云图等多种分析结果。还能够生成图表，变形动画等多种形式。具有时间历程分析功能，可叠加不同载荷工况等。本文运用到ANSYS软件的功能有：结构静力学分析，能用来求解稳定外部载荷下引起的系统或部件的位移、应变、应力和力。非线性分析，包括所有的非线性类型：大变形，塑性，蠕变，应力刚化，接触（间隙）单元，超弹性单元等。3.3ANSYS非线性静力学分析ANSYS 结构静力学分析的基本步骤3738：建立模型主要包括定义单元类型、单元实常数、材料属性和几何模型，最后对几何模型进行网格划分，生成有限元分析模型。施加载荷并求解这一步需定义分析类型、分析选项设置、施加载荷，开始有限元分析求解。进入后处理，检查结果查看分析结果的基本数据节点位移和导出数据节点和单元应力、节点和单元应变等3.3.1液压推拉器器体的ANSYS结构静力分析（1）模型的建立以及简化推拉器的模型前面我们已经使用SolidWorks建立完毕。然而SolidWorks本身的格式ANSYS并不支持，我们需要将其进行转化为ANSYS所支持的格式。X_T后缀的格式就是其中最常用的一种格式。此外，由于SolidWorks软件进行的建模是比较精密的建模，当模型导入ANSYS之后，一些精密的部分就会对网格的划分提出更高的要求，为计算造成负担；但对计算的结果条并不大，得不偿失。因此，我们需要对模型进行简化39。对于一些不影响结构刚度的精密部分应当适当地加以去掉。另外，模型之中的某些特征也可以省略，例如倒圆角、非装配孔等。这里我们对推拉器的模型做一些适当的简化：1、 大多数倒角对结构的分析不造成影响可以去掉；2、 注油孔和泄油孔在工作中油压达到最大后都跟螺栓连接，可以当做堵死状态；与活塞相连接的导向孔去掉；3、 在工作中液压推拉器的尾部长25mm属于不受力状态，为方便分析可以在模型中截掉。如图3-2,3-3所示：图3-2 简化前 图3-3 简化后（2）基本参数设定液压推拉器的器体材料选择为45钢8.8级，8.8级钢表示的意思是第一个8代表抗拉强度为800MPa，第二个8代表屈服强度为640MPa。其弹性模量为，泊松比=0.3。单元类型选择10node187单元，Solid187单元是一个高阶3维10节点固体结构单元40，SOLID187具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的模型（例如通过不同的CAD/CAM系统建立的模型）。单元通过10个节点来定义，每个节点有3个沿着x，y，z方向平移的自由度。如图3-4、3-5所示。单元支持塑性，超弹性，蠕变，应力刚化，大变形和大应变能力。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。图3-4 SOLID187单元实体结构图3-5 SOLID187应力输出（3）网格划分模型导入之后，设定好材料特性。下一步就需要对模型进行网格划分。生成有限元的单元网格，为后面的计算提供基础，为施加边界条件、载荷以及求解做好准备。这是有有限元分析里面十分重要的一步。ANSYS软件提供有很多种多种网格划分工具，包括延伸网格划分、映像网格划分、自由网格划分以及自适应网格划分等。可根据需要选择合适的方法，延伸网格可将二维延伸成三维；映射划分允许用户将模型分成几个简单的部分，选择合适的设置生成网格；自由网格划分对模型没有特殊要求，能避免复杂模型的网格不匹配带来的困扰；自适应网格划分是在实体模型生成边界条件以后,用户操作程序自动生成的