（机械制造及其自动化专业论文）某型液压缺性能测试试验台研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 根据液压缸的相关试验标准，本文在分析与研究液压缸性能测试技术的基础上， 研制出了能够自动完成某型液压缸型式试验和出厂试验的性能测试试验台。 本文首先根据液压缸实际应用采用压杆稳定性分析和有限元稳定性分析技术分 析了液压缸工作稳定性。接着利用u gn x5 0 绘出了试验台台架结构图并对试验台 台架进行了强度校核。然后设计了由液压系统、控制系统两部分组成的试验台测试 系统。液压系统部分采用电液比例技术进行了原理设计，实现了压力和流量的远程 控制；控制系统部分设计了控制系统硬件和软件，采用了p l c 控制技术。最后重点 对电液比例技术进行了研究，建立了电液比例阀数学模型。使用m a t l a b s i m u l i n k 和 a m e s i m 建立电液系统仿真模型，进行了联合仿真，得出系统的动、静态特性，从 仿真结果可以看出，测试系统的试验方法和控制策略是可行的。 本试验台的研发为此型液压缸的质量检测以及研究提供了必要的检测与试验设 备。并为类似结构液压缸性能测试试验台的开发提供了一个可行的技术参考，形成 了一套完整而实用的研制方法。 关键词：液压缸试验台电液比例稳定性有限元 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i no r d e rt od e v e l o pap e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r mt ot e s tac e r t a i nt y p eo fh y d r a u l i c c y l i n d e r e f f e c t i v e l y , t h i sp a p e rs i u d i e s o nt e s tt e c h n i q u e so ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e r p e 娟o r m a n c et e s tp l a t f o r m , a n dt h e nd e s i g n st h e s t r u c t u r eo ft h ep l a t f o r m t h et e s t p l a t 白衄d e v e l o p e dc a l la u t o m a t i c a l l ya c h i e v ep r o t o t y p et e s ta n dd e l i v e r yt e s l f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h eh y d r a u l i cc y l i n d e r , t h eh y d r a u l i c c y l i n d e rj o bs t a b i l i t yh a sb e e na n a l y z e db yb a rs t a b i m ya n a l y s i sa n df i n i t ed e m e n t a n a l y s i st e c h n i q u e si nt h i sp a p e r t h e n , t h eb e n c ht e s ts t a n ds t r u c t u r e i sd r a w n b yu g n x 5 0a n dt h es t r u c t u r a ls t r e n g t ho ft h et e s tb e n c hw s l sc h e c k e d a f t e rt h a t , t h et e s ts y s t e r l n w h i c hc o n s i s t so f t h eh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h et e s ts y s t e m c o n s i s t so f t h eh y d r a u l i cs y s t e m ，c o n t r o ls y s t e m t h ep r i n c i p l ed e s i g no f h y d r a u l i cs y s t e m f o rh y d r a u l i cc y l i n d e r 硒s ts y s t e mi sc a r d e do u tb yu s i n ge l e c t r o - h y d r a n l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o lt e c h n i q u e t h eh y d r a u l i cs y s t e mc a nc o n t r o lt h ep r e s s u r ea n df l o wa u t o m a t i c a l l y t h e p r i n c i p l ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e mf o rh y d r a u l i cc y l i n d e rt e s ts y s t e mi sc a r r i e do u tb y t h ea p p l i c a t i o no ft h ep l cc o n t r o lt e c h n o l o g y , w h i c hc o n s i s t so ft h eh a r d w a r ed e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g n a tl a s t , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lt e c h n o l o g y m a t h e m a t i cm o d e l so fe l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e sa r o b u i l t , t h e nt h es i m u l a t i o nm o d e lo fh y d r a u l i cs y s t e mi se s t a b l i s h e dw i t hm a t l a b s i m u l i n k a n da m e s i m , s i m u l a t i o i l sa r cc a r r i e do u tb yt h eu n i o ns i m u l a t i o n , t h er e s u l t ss h o wt h e t e s tm e t h o da n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h et e s ts y s t e ma r ef e a s i b l e t h ed e y e l o p m e n to ft h ep e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m , n o to n l yp r o v i d e sr e l i a b l e p l a t f o r mf o rt h i st y p eo fh y d r a u l i cc y l i n d e rt e s ta n dr e s e a r c h , b u ta l s ol a y st e c h n i c a l f o u n d a t i o nf o rt h eo t h e rh y d r a u l i cc y l i n d e rw i t hs i m i l a rs t r u c t u r e , a n df o r m sas e to f r a t h e r i n t e g r a t e dd e s i g nm e t h o d s k e y w o r d s ：h y d r a u l i cc y l i n d e r ；t e s tp l a t f o r m ； s t a b i l i t y ：f i n i t ed e m e n t 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1檄述 1 ，1液压传动技术的发展 相对于机械传动来说，液压传动是一门新的学科，它具有传动平稳、结 构紧凑、输出功率大、易于实现无级调速及自动控制等特点，因此发展迅速。 几十年来，随着我国工业技术的不断提高，液压传动技术被广泛应用在机械 制造、交通运输、工程建筑、军事器械、矿山冶金、石油化工、航空航海、 轻工、农帆、渔业、林业等各个方面，也被应用在宇宙航行、海洋开发、核 能建设、地震预测等新的技术领域中【l l 。 从1 7 9 5 年英国制造出世界上第一台水压机至今，液压传动已有二二百年 的历史了，但广泛的应用和推广仅有五六十年。1 9 世纪末，德国制造出液压 龙门刨床，美国制成液压六角车床和磨床，但因当时没有成熟的液压元件以 及机械制造工艺水平的限制、液压传动技术的应用仍不普遍。二次大战期间、 某些兵器采用了反应快、精度高、功率大的液压传动装置，推动了液压技术 的发展，战后，其迅速转向民用，在机床、丁程机械、农用机械、汽车、船 舶等行业中逐步推广。6 0 年代后，随着原子能、空间技术、计算机技术的发 展，液压技术的应用更加广泛。从发展趋势来看，液压技术正在向高压、高 速、高效、大流量、大功率、低噪声、长寿命、高度集成化等方向发展。同 时，液压领域中的新技术、新元件也不断出现，在液压系统的计算机辅助设 计、计算机仿真和优化、微机控制等方面，也日益取得显著成果，这又使液 压技术的向一个新的阶段发展【2 】，其中发展最迅速的是电液控制技术。电液 控制技术是机电一体化技术的一个重要组成部分，它是电气、电子( 包含 p l c 控制器，微控制器或微电脑) 控制技术和液压控制技术有机结合的一种 自动化技术。随着计算机技术的发展，电液控制技术与电液控制机构相结合 组成的电液控制系统，更具有操作方便、控制灵活、显示清晰并能进行数据 自动处理和实现大系统控制的功能。随着生产技术的发展，机械设备自动化 程度的日益提高，在工作性能的要求力求完善的形势下，集机电液一体化技 术的控制机构将更普遍的应用于各个领域之中1 3 1 【5 1 。 1 1 2 液压控制技术及其应用 随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对液压控制技术提 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 出了更高的要求。目前，液控技术不仅用于传统的机械操纵、助力装置，也 用于工程机械的模拟加载、转速控制、发动机燃料进给控制，以及车辆主动 悬挂装置和制动系统，同时扩展到航空航天和海底作业方面。在液压控制技 术中，应用最广泛的是液压伺服控制系统与电液比例控制系统。液压伺服控 制系统是由液压控制元件( 伺服阀或伺服变量泵) 和液压执行元件( 液压配 或液压马达) 作动力元件组成的自动控制系统。在液压传动与控制系统中能 够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力连续成比例地受到控制， 都可以被称为电液比例控制系统，它通常由指令元件、比较元件、电液比例 控制元件、比例阀、执行元件、检测反馈元件组成。 1 1 3 液压缸的结构与强度设计现状 ： 本课题所研究的液压缸属于大型多级高压液压缸，在许多工程应用中出 现了缸体爆炸的重大安全事故，其主要原因与液压缸的结构与强度设计有关。 目前，与机械传动零件相比较，液压缸的结构与强度设计理论还处于较低级 的阶段。例如对齿轮的研究就相当深入，许多看起来非常细小的问题都有专 文论述，并且形成了比较成熟的计算方法。而在液压缸的设计工作中，基本 上都是沿用以前的传统公式进行结构设计和强度校核。但是，传统常用的某 些基本公式目前尚不尽合理，这些公式只能用来对液压缸的结构设计作粗略 的计算。在实际应用过程中，为了弥补采用传统公式设计计算带来的某些不 足，常会采用保守的设计计算方法，或者选取较大的安全系数来增强液压缸 的结构强度。例如在液压缸稳定性校核过程中，常将液压缸作为等截面整体 杆处理，直接引用欧拉公式进行整体压杆稳定性校核计算，其结果比较保守。 采用这种方法设计的液压缸，尤其是设计多级伸缩液压缸，其材料消耗、体 积、重量都大为增加。虽然采用了保守设计或者选取了较大的安全系数，但 是如果对液压缸实际应用中复杂的受力情况估计不足，仍然会出现液压缸失 效的情况。因此，许多学者认为有必要结合液压缸的实际应用进行大量的实 验研究工作进一步充实并完善液压缸的设计理论。近年来，国内外许多学者 研究了液压缸的强度、刚度、稳定性和局部应力应变等问题，研究了液压缸 的寿命，以及液压缸的运动特性和缓冲理论等问题，并发表了大量论文。由 于电子计算机的快速发展，用有限元法计算液压缸的应力和应变，校核其强 度和刚度，以重量、成本等为目标函数的对液压缸结构进行优化设计也日益 增多【6 1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 4 液压缸性能测试试验台的发展状况 液压缸是液压系统的重要组成部分，它将液压能转变为机械能，实现直 线往复运动。目前已在工程机械、矿山机械、汽车工业以及智能机械等各类 行业得到了广泛的应用，如推土机、起重机、挖掘机、高空作业车以及机器 人制造等。液压缸质量、性能的好坏直接影响着液压系统的可靠性，进而影 响这些机械设备的使用【7 】。随着液压技术的深入应用，对液压缸综合性能的 要求也日益增高，液压缸的型式试验和出厂试验成为液压缸综合性能测试的 重要手段。从检索的论文【8 1 一【1 2 1 综述和对现有的一些液压缸试验台检测系统的 考察上看，采用计算机控制技术、电液比例伺服液压技术、虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 技术等先进技术的液压缸试验台极为少见；根据试验项目要求由 计算机自动控制压力、流量，计算机分析与处理试验数据，并能自动完成全 部国家标准【1 3 1 与行业标准【1 4 】规定的试验项目的试验台未见。从目前我国的液 压缸性能测试设备情况来看，设备简陋落后，大部分设备都仍然在采用传统 的液压传动方式。目前国内液压行业生产厂和液压研究所，均有相应产品的 液压缸试验台。通过考察调研得知，这些己有的液压缸试验台大多存在以下 问题： ( 1 )试验台所测试的液压缸工作压力均为中低压，不能满足众多高压 液压缸测试要求； ( 2 )液压系统不具备油温自动控制功能，油温很难控制在5 0 4 之 内，对液压缸试验台测试精度的提高产生了很大的影响； ( 3 )当液压缸活塞杆开始换向时，液压缸的两腔会产生压力突变，一 腔压力突然增高，另一腔压力突然降低，如果此时外负载变化范围过大，液 压缸降压腔会产生气蚀，升压腔会出现压力超过油源压力。 以上三个问题已成为液压缸性能测试试验台测试精度和测试自动化水平 提高的瓶颈【l5 1 。 1 2 课题的研究意义与内容 1 2 1课题的研究意义 本课题来源于某液压件有限公司的实际工程项目：某型液压缸工作稳定 性分析及性能测试试验台的开发。该公司生产的h g 4 4 4 型液压缸属于大型多 级高压液压缸，单个造价超过2 0 万元，主要用于工程上支撑大型井架的起升。 许多其他公司设计的类似液压缸在实际应用中出现过扭曲、折断、甚至爆裂 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 的重大安全事故，造成人员伤亡以及巨大的经济损失。该公司设计生产的液 压缸结构和强度校核应用的是传统的基本公式，仅仅是采用了较大的安全系 数，虽然生产的液压缸在应用中暂未出现重大问题，但是由于传统设计校核 理论的不合理性以及液压缸在工作过程中的复杂受力，此型液压缸的压杆稳 定性、整体稳定性、局部稳定性数据并未得知，此型液压缸一直存在着在实 际工作中是否会出现扭曲、折断甚至爆裂或者其他失效方式的安全隐患。因 此，有必要对液压缸实际工作稳定性进行分析。 目前该公司仍然沿用按g b t 1 5 6 2 2 1 9 9 5 标准设计的旧式试验台对此型 液压缸进行出厂试验。g b t 1 5 6 2 2 1 9 9 5 标准早已经被g b t 1 5 6 2 2 - 2 0 0 5 标准 取代，该公司正在使用的试验台以及目前国内大部分试验台都存在以下问题： ： ( 1 )测试工作完全依靠试验人员进行人工读数、测距、手动调整加载、 手工计算和绘图等，试验的工作量非常大，对试验人员的技能水平要求很高， 并且由于人工读数导致测试随机性大、测试精度低、测试效率低下，更无法 实现自动检测。 ( 2 )试验台只能进行简单的出厂试验，不能进行型式试验，不能全部 完成国家标准【”】与行业标准【1 4 】规定的1 0 项试验的检测，尤其是不能完成或 者不能良好完成主要体现液压缸综合性能的三个试验项目，包括起动压力特 性试验、内泄漏试验以及负载效率试验。 ( 3 )试验过程中液压缸在起动和换向时产生很大压力冲击和压力突 变，出现气蚀和压力超过油源压力的情况，损坏检测设备和液压缸。 ( 4 )试验台的检测设备不是由计算机控制，不能形成闭环控制系统， 不具备实时反馈功能，无法显示负载力、油压、油温以及油箱液位等。 ( 5 ) 绝大部分试验台的液压系统是采用传统的液压元器件所开发设计 的，回路都比较复杂，不但造成系统很不稳定，而且给检测人员操作带来极 大不便。 综上所述，该公司的液压缸试验台设备简陋，完全由手工操作方式检测， 试验标准掌握不精确，试验方法不一致，操作人员劳动强度大、效率低，导 致测试数据不真实，测试效果差，达不到通过试验检测最终控制废品率和提 高产品合格率的目的。因此，开发和设计一套高精度的液压缸性能测试试验 台迫在眉睫。本文的设计目标是开发设计出能够全面、准确和自动完成此型 液压缸的型式试验以及出厂试验的系统，从而精确检测此型液压缸参数，保 证液压缸出厂质量，提高良品率。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 2 课题的主要研究内容 本课题的研究工作主要是对液压缸工作稳定性进行分析；利用三维软件 设计液压缸试验台台架结构并进行强度校核；对比国内外液压缸试验方法设 计出液压缸试验台的液压系统并对关键项目的试验方法进行创新；使用仿真 软件对电液比例系统进行仿真分析。本课题主要内容和拟解决的具体问题如 下： ( 1 )被测对象工况及性能分析 针对液压缸支撑井架至竖起过程建立液压缸井架模型，然后进行受力分 析。利用m a t l a b 软件绘出液压缸整体长度随井架上升角度变化曲线，液 压缸轴向受力随液压缸整体长度变化曲线，液压缸内部油压与整体长度的关 系曲线。对液压缸进行压杆稳定性分析和有限元分析 ( 2 )液压缸试验台台架结构与强度设计 根据实际应用的液压缸尺寸以及受力情况，利用u g 绘制出液压缸性能 测试试验台台架的三维模型图。对试验台台架端座的定位轴、地脚螺栓以及 接合面的工作能力进行强度校核，验证是否满足实际需求。 ( 3 )液压缸试验台的原理及其液压系统设计 分析液压缸性能测试原理和本课题所需设计的试验台的功能要求。设计 主要测试项目的基本液压回路，并对起动压力特性检验、内泄漏的测量、负 载效率试验等的项目试验方法进行创新。计算出主要参数，根据参数设计出 总液压回路并对主要元件进行选择。设计试验台控制系统，包括硬件设计和 软件设计。 ( 4 )液压缸试验台电液比例系统建模及仿真 对电液比例系统进行特性分析。建立电液比例控制系统的核心元件一电 液比例溢流阀、电液比例调速阀的数学模型，确定其传递函数。最后使用 a m e s i m 和m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对电液比例系统进行联合仿真分析。 堕重型技大学硕士研究生学位论文第6 页 二二二= = _ 二= 二= 二一 苎：= 1 2 被测对象工况及性能分析 2 1 液压缸井架系统 本文研究的液压缸是二级伸缩液压缸，主要用于工程上支撑大型井架的 起升，如图2 - i 为实际应用的液压缸井架系统。 一if f厂一 一 l， il lf| 队 l i 雌 豳 lj 厂ji l 唰l k 鹪 i n 一- 。忙 o l -i i 图2 - i 液压缸井架系统图 f i g - 2 1 h y d r a u ii cc y ii n d e ra n dd e r r i c ks y s t e md i a g r a m 此型液压缸属于大型二级伸缩液压缸，内部结构复杂。液压缸在支撑整 个井架至竖起的过程中其整体长度、轴向受力以及内部油压是个动态变化过 程。由于液压缸整体长度的改变而产生的压杆稳定性问题，以及由于液压缸 复杂的内部结构在工作中可能产生的应力集中、应变不均匀等问题都可能使 液压缸不稳定，导致失效。因此，必须先分析此型液压缸在支撑井架上升过 程中整体长度变化，所受载荷变化以及内部液压油压力变化情况，从而找出 液压缸最容易失效的状态。最后不仅要对液压缸进行压杆稳定性分析而且要 利用有限元技术分析液压缸最容易失效的状态的强度和刚度是否满足要求。 2 2 液压缸受力分析 液压缸井架系统模型如图2 2 。 一一。 _l 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 l l o 弋忉 腻芝迹、 弋、。咚7 j 一一 图2 - 2液压缸井架系统模型图 m o d e id ia g r a mo fh y d r a u ii cc y ii n d e ra n dd e r r i c ks y s t e m 图中厶是液压缸与井架的铰接点到井架底端铰座的距离，厶是井架重心 到井架底端铰座的距离。图中重心轨迹是井架上升中重心运动轨迹，它是以 厶为半径的1 4 圆，作用点轨迹是以厶为半径的1 4 圆。由图2 一l 的设计参 数可知： 0 【0 ，7 r 2 】 厶= 6 0 8 1 m m 厶= 1 7 6 0 0 m m g = 5 5 2 k n b = 4 7 2 8 4 2 + 5 6 7 5 2 由图2 2 几何关系分析易得 口：竺，口= 0 6 6 1 8 6 9 5 2 8dtan u 3 2 8 r a d口= ，口= 7 2 8 4 4 = ( 6 0 8 1 c 0 s 秒一7 2 8 4 ) 2 + ( 6 0 8 1 s i n o + 5 6 7 5 ) 2 m m 取井架上升过程中任意位置进行分析，由正弦定理得 旦一：土 ( 2 1 ) s i n ( 0 - i - 口)s i n 西南科技大学硕士研究生学位论文 第8 页 由力矩平衡原理得【1 6 1 g 厶c o s o = f b s i n ( 2 2 ) 联立式( 2 1 ) ，( 2 - 2 ) 得 f ：! 丝竺! 翌k n ( 2 3 ) 1 b s i n ( 04 - 口) 式中：口一一液压缸及伸出部分的整体长度，即q 到作用点的长度，m m ； b 一一液压缸底端铰座到井架连接铰座的距离，即q 到d 点的长 度，m m ； 口一一井架重心上升的角度秒 0 ，万2 】，r a d ； 口初始井架位置和ad 的夹角，r a d ； 一一液压缸和q0 的夹角，r a d ； g 一一井架重力，k n 。 利用m a t l a b 绘制出随井架上升角度的变化，液压缸整体长度变化曲线7 1 如图2 3 。 i ，i 蟹 艘 摺 蚕 软 一| 一手 桨油靛c 矗 x ；l i 矗 0051 16 井槊上升角度 图2 3液压缸整体长度随井架上升角度变化曲线图 f i g 2 - 3 o v e r a i ii e n g t ho ft h eh y d r a u i cc y i in d e r c u r v ew i t ht h ed e r rj c kr o s o 由图2 3 得出装配状态下液压缸的初始整体长度为5 8 0 1 m m ，最大行程 时整体长度为1 3 8 2 7 m m 。 绘制出液压缸轴向受力f 与液压缸整体长度关系曲线如图2 4 。 一 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 f i g 2 4 蠡 蓬 搬 井浆袖缸受力蹦 ( 5 8 0 1 1 6 3 3 ) 、 。、 、b ( t 0 0 , ) 1 1 3 3 e) 、 、 1 | | | 井架油越整体长度 图2 - 4液压缸轴向受力随液压缸整体长度变化曲线 t h ec u r eo fh y d r a u i i cc y ii n d e ra x i a if o r c ew i t ht h eo v e r a ii i e n g t ho fh y d r a u ii cc y ii n d e r 绘制出因液压缸整体长度的变化而导致内部油压产生变化的关系曲线如 图2 5 所示。 薯 警 藿 囊 # ： 并架油缸压力图 d。( 1 0 0 i；1 ，2 7 8 ) c：5 8 0 1 2 0 3 ) 、 j 、 t 、 ； 井絮油缸整体长度单位( m m ) 图2 - 5 液压缸内部油压与整体长度的关系曲线 f i g 2 5r e ia t i o n s h i pc u r v eb e t w e e nt h eh y d r a u ii cc y iin d e rin t e r n a i p r e s s u r ea n dt h eo v e r ai i ie n g t h 由图2 4 得知液压缸初始状态时受力最大，最大值f = 1 6 3 3 1 3 3k h ，对 应于图中a 点。当液压缸第一级完全伸出，即伸出4 2 0 0 r a m 时，液压缸总体 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 长度为1 0 0 0 1 m m ，此时轴向受力为1 3 3 9 1 4 2 k n ，对应于图中b 点。 由图2 5 得知，液压缸内部初始油压值为2 0 3 0 6 m p a ，对应于图中c 点。 当液压缸第一级完全伸出达到最大行程4 2 0 0 m m 时，液压缸整体长度为 1 0 0 0 1 m m ，然后液压缸第二级开始伸出，液压缸内部油压上升至2 7 2 8 1 m p a ， 对应于图中d 点。 2 3 压杆稳定性分析4 该型二级伸缩液压缸在应用中主要承受轴向载荷，可视为承受轴向载荷 的细长杆。当细长杆承受的轴向载荷达到或者超过一定限度即临界载荷时， 构件将失去稳定性导致失效。根据参考文献【1 8 h 1 9 】的液压缸压杆稳定性理论研。 究可知，液压缸的活塞杆可视为两端承受轴向压载荷作用的压杆，而缸筒并 不受轴向载荷作用，在此不作为压杆，所以缸筒的强度与刚度对活塞杆的能 够承受的轴向临界载荷并无影响。两端采用铰链联接的液压缸临界载荷坛 表达式为 n ：下(24)cr 4 1 1 6 e l i i 彳 式中：巨一材料弹性模量； 一活塞杆惯性半径，= x d 4 6 4 ； 厶一活塞杆的伸出长度。 液压缸所用材料为z g 3 1 0 5 7 0 ，查得弹性模量e = 2 0 6 g p a ，安全系数 n = 1 8 - 3 0 选取n = 1 8 。则工作载荷为 ：n c r ：一4 1 1 6 e j i ( 2 5 ) n 1 骈 ( 1 )根据液压缸设计结构图以及前面分析结果得知液压缸第一级缸径 妒= 3 2 0 m m ，杆径= 3 0 0 m m ，行程= 4 2 0 0 m m ，受到的最大轴向载荷l i = f = 1 6 3 3 1 3 3 剧。由公式( 2 - 5 ) 得出第一级液压缸工作载荷m = 1 0 6 1 7 6 2 7k n 。因为第一级液压缸工作载荷远大于其受到的轴向载 荷，所以第一级液压缸在工作过程中是稳定的。 ( 2 )根据液压缸设计结构图与前面分析结果得知第二级缸径 = 2 5 0 m m ；杆径= 18 0 m m ；行程= 4 0 0 0 m m ；受到的最大轴向载荷2 = 1 3 3 9 1 4 3k n ，由公式( 2 5 ) 得出液压缸第二级液压缸工作载荷 2 = 1 5 1 7 0 8 9 k n f m a x ：，因第二级液压缸工作载荷大于其受到的轴向载荷， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 所以第二级液压缸在工作过程中是稳定的。综合以上分析知，液压缸的两级 在伸出的过程中都满足压杆稳定性要求，因此液压缸在整个工作过程中整体 满足压杆稳定性要求。 2 4 液压缸有限元分析 ( 1 )有限元方法概述 为了求解各类实际工程问题，人们推出了一种有效的方法一一有限元法。 其基本思想是将求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互连接在一起的 组合体。通过有限元方法能够有效进行应力分析以及流体力学、热力学、电 磁学以及高速冲击动力学等问题【2 们。由于有限元法具有高精度、高适应性以 及高度统一的计算格式规范等优点，其在5 0 多年间已被广泛应用于机械制 造、石油化工、汽车交通、船舶、生物工程、宇航航空、土木工程、海洋工 程及核工业等许多领域，已成为现代工程设计中的一种有效的分析工具。 ( 2 )a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是非常实用的大型通用有限元分析软件。利用a n s y s 程序， 机械工程师可以构造出机械产品、零部件或系统的计算机模型，对它们施加 载荷或其他设计条件，可以得出相应的动静特性，对产品进行优化设计，以 降低生产成本。 a n s y s 软件一个很大的优点在于它能提供一系列持续改进的功能，包 括：结构分析、疲劳分析、电磁电场分析、计算流体动力学分析、设计优化、 接触分析、多场耦合分析、自适应网格划分、多程序接口、参数设计语言等 功能。 a n s y s 程序主要包括前处理器、求解器、后处理器和几个辅助处理器等。 前处理器主要功能是利用其强大的几何建模能力、完善的网格划分能力、详 尽的参数设置功能和与许多c a d 软件( 例如p r o e ，u g ，s o l i d w o r k s 等) 的 无缝集成能力生成有限元模型，具有强大的前处理能力。求解器是用于对前 处理器所建立的有限元模型施加载荷及边界条件进行求解计算。a n s y s 具有 强大的求解能力，尤其是用于求解高精度非线性问题和强大耦合场问题。后 处理器通过通用后处理模块和时间历程后处理模块获取求解结果，从而对模 型做出评价。 此外，a n s y s 还具有良好的开放性，用户可以根据自己的实际情况对 a n s y s 进行二次开发【2 。 ( 3 )压杆稳定性分析存在的问题 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 虽然从压杆稳定性分析已经得出液压缸在整个工作过程中整体满足压杆 稳定性要求，但是由于液压缸内部结构复杂，在工作中产生的应力集中、应 变不均匀现象仍可能使液压缸失效，因此必须进行有限元分析。根据前面液 压缸受力分析和内部油压压力变化情况，可以判断出若是液压缸因局部应力 过大和形变过大而导致失效现象，这种现象只可能出现在轴向载荷最大或者 内部压力最大的工况下。故在此利用a y s y s 软件对这两种工况进行有限元 建模分析。考虑到此型液压缸具有结构对称性，因此在有限元建模时候可将 整个缸体视为三维轴对称模型，只需选取其中一截面的1 2 建立模型从而将 三维模型简化为二维模型。 2 4 1 液压缸轴向载荷最大时应力分析 打开a n s y s l 2 0 ，p r e f e r e n c e s 选择为s t r u c t u r a l 静态结构分析。e l e m e n t t y p e 选取p l a n e 4 2 单元类型，选择轴对称。设置泊松比为0 3 ，弹性模量 e 为2 0 6 g p a 。以y 轴为对称轴建立液压缸有限元模型，设置单元长度为 0 0 0 3 ，使用自由网格划分后共划分为6 2 0 0 3 个节点，5 7 1 0 9 个单元。加载 约束时底端采用全约束，所有对称面加载对称约束，液压缸内部受压面和 顶端采用均布压力加载，求解得应力云图【2 2 1 如图2 - 6 。 图2 - 6液压缸轴向载荷最大时应力云图及局部放大图 f i g 2 6 s t r e s sc o n t o u ra n dl o c a le n i a r g e m e n to ft h eh y d r a u l - c c y ii n d e rw i t hm a x i m u m 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 由左侧整体应力云图可以看出在液压缸顶端部位产生了大形变集中和大 应力集中，最大形变和最大应力都位于此区域，对顶端部位进行放大如图2 6 右侧部分。根据a n s y s 求解结果得知，最大形变u s u m 一0 0 0 0 6 3 1 5 7 8 m ， 位于节点1 8 0 9 处，坐标为( o 0 0 9 3 5 6 4 2 ，5 0 4 6 4 2 ) 对应于右侧放大图标记 位置，该位置位于第二级液压缸的活塞杆顶端。最大应力s e q v = 1 5 8 2 8 3 m p a ， 产生在节点1 8 6 9 处，坐标为( 0 0 9 0 8 4 1 5 ，4 8 9 0 4 9 ) ，对应于右侧放大图标 记位置，该位置位于第二节液压缸的活塞杆与缸筒接触处，而且从图中可以 看出大应力集中现象主要产生在此区域。 2 4 2液压缸内部油压最大时应力分析 打开a n s y s l 2 0 ，p r e f e r e n c e s 选择为s t r u c t u r a l 静态结构分析。e l e m e n t t y p e 选取p l a n e 4 2 单元类型，选择轴对称。设置泊松比为0 3 ，弹性模量e 为2 0 6 g p a 。以y 轴为对称轴建立液压缸有限元模型，设置单元长度为o 0 0 3 ， 使用自由网格划分后共划分为6 3 6 7 5 个节点，5 8 9 8 0 个单元。加载约束时底 端采用全约束，所有对称面加载对称约束，液压缸内部受压面和顶端采用均 布压力加载，求解得应力云图【2 2 】如图2 7 。 3 0 l u t i o n 1 口 ，v t a v g ) - j 一琴 门 鬲。， 根据a n s y s 求解结果得知最大形变u s m = o 0 0 1 1 2 8 0 7 m ，位于在堇盛 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 2 0 9 处，坐标为( 0 0 9 2 3 ，9 0 3 6 4 1 ) 对应于左侧图中标记位置，该位置位于 第二级液压缸的活塞杆顶端。最大应力s e q v = 2 6 3 5 1 8 m p a ，在节点5 1 9 7 处， 坐标为( 0 1 6 9 6 1 2 ，0 1 2 6 0 9 3 ) ，对应于右侧放大图标记位置，该位置位于第 一级液压缸缸底内端部。如图2 7 右侧部分所示为液压缸缸底放大图，从中 可以看出大应力集中现象主要出现在液压缸缸底内端部和内缸筒壁，此位置 最容易出现失效。 综合以上分析结果得知，液压缸在支撑井架至竖起整个工作过程中，最 大形变和最大应力值都出现在第二级液压缸开始伸出时，此时液压缸内部油 压达到最大值2 7 2 8 1 m p a ，最大形变值为1 1 2 8 0 7 m m ，位于第二级液压缸的 活塞杆顶端。最大应力值为2 6 3 5 1 8 m p a ，位于液压缸缸底内端部。 2 5 结论分析 液压缸材料选用z g 3 1 0 5 7 0 设计时，根据压杆稳定性分析以及液压缸有 限元分析的结果，可以得到如下结论： ( 1 )液压缸在工作过程中，其整体稳定性符合压杆稳定性条件。 ( 2 ) 液压缸在工作过程中，其最高等值应力为吒= 2 6 3 5 1 8 m p a ，低于 z g 3 1 0 5 7 0 的屈服极限 仉】= 3 1 0 m p a ，应力与形变关系是线性的，表现为可 逆的弹性行为，这说明液压缸在在材料强度方面是满足要求的。对于特殊工 况中液压缸缸底内端部以及缸筒出现的大应力、形变集中现象可以通过增加 厚度以及对液压缸结构进行优化设计来防止发生疲劳失效。 ( 3 )液压缸在工作过程中，最大形变值为1 1 2 8 0 7 m m ，小于结构尺寸 的5 0 ，说明液压缸的材料刚度也满足要求。 因此，液压缸材料选用z g 3 1 0 5 7 0 设计时，液压缸在支撑井架至竖起过 程中整体压杆稳定性、强度以及刚度都能满足实际工作需要。 2 6 本章小结 本章主要对液压缸支撑井架至竖起过程建立了液压缸井架模型，然后进 行了受力分析。接着利用m a t l a b 软件绘出了液压缸整体长度随井架上升 角度变化曲线，液压缸轴向受力随液压缸整体长度变化曲线，液压缸内部油 压与整体长度的关系曲线。最后对液压缸进行了压杆稳定性分析和有限元分 析。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 3 液压缸试验台的原理及系统设计 3 1液压缸性能测试原理分析与功能要求 液压缸性能测试试验的项目主要包括试运行、起动压力特性试验、耐压 耐久性试验、泄漏试验( 内泄漏、外泄漏、低压下的泄漏试验) 、缓冲试验、 负载效率试验、高温试验、行程试验以及采用应变片对液压缸强度与刚度进 行测试等试验。以下首先对测试系统进行试验的原理进行简要分析，之后提 出测试系统的功能要求。 3 1 1测试原理分析 参照了国家标准【”1 、行业标准【1 4 】的规定以及考虑到厂商的要求，最终确 定液压缸出厂试验和型式试验的测试项目和要求如表3 1 所示。 在传统液压系统设计过程中，一般通过压力控制阀、节流阀( 或调速阀) 和各类换向阀等液压元件来控制液压系统的压力、流量和方向。传统液压系 统的数据测量方法主要是通过压力表、流量计和测力计等简肇常规测量仪器 来测量液压系统的压力、流量( 速度) 和力等物理量，最后通过手工处理得 到试验数据，其测试过程都是纯手工完成的。然而对于现代大型复杂的液压 系统来说，其检测过程要求具有很高的测量精度、快速的响应速度、处理繁 杂数据和进行复杂动作的能力，采用这些传统的检测方法难以完成任务【2 3 l 。 随着计算机技术的快速发展尤其是计算机技术与液压控制技术的结合， 使得现代液压技术具有高效、节能、系统、集成、智能、安全的优点。最具 现代液压技术优点的代表性技术是计算机电液比例技术，它是电气或电子技 术和液压技术相结合的产物。这种控制技术结合了电气和液压的双重优势， 它的特点是控制精度高、智能化程度高、可靠性高、结构集成度高、功能齐 全而且操作方便，因此广泛的应用于液压工程技术领域。 由于计算机技术在机电液控制技术中的深入使用，近十几年来机电液控 制技术发展非常迅速，所组成的液压控制系统成熟度越来越高，在工业各领 域中已经得到广泛的应用。液压缸性能测试系统作为一个典型的集机电液一 体化技术于一身的设备。以先进的传感器测量仪器作为检测硬件，以现代计 算机的机电液控制技术作为软件，将二者结合起来已经成为现代检测系统发 展的方向【2 4 1 。 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 表3 - 1液压缸试验项目及要求 t a b l e3 1t e s tp r o j e c ta n dr e q u ir e m e n t so ft h eh y d r a u ii cc y ii n d e r 本课题所研制的液压缸测试系统由三部分组成：液压缸加载台架、比例 液压系统和试验台控制系统。测试系统综合采用了电液比例控制、电气控制 系统、p l c 控制、传感器和机电一体化等技术，组成了具有多个反馈量的闭 环控制系统，如图3 1 所示为测试系统框架结构图。 加载 台架 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 控制系统 i t 一 遮丝j 传感器l 皇垩：竺堕 图3 - !测试系统框架结构图 fig 3 1f r a m e w o r ks t r u c t u r eo ft e s ts y s t e m 检测 人员 3 1 2功能要求 本液压缸性能测试系统是专用系统，主要是用来完成该公司自行设计的 h g 4 4 4 型液压缸性能特性的检测，保证液压缸的出厂质量，同时提高检测的 效率和水平，并且为新产品的开发提供试验数据以及设计依据。 3 2 液压基本回路设计 本液压缸试验台性能测试系统要求能全部完成表3 1 列出的十个试验项 目。下面选较复杂动作的几个试验项目的液压系统回路作为重点分析。 3 2 1 试运行试验 根据表3 1 所示，试运行试验要求被试液压缸往复运动数次。由于本试 验台所测试的液压缸为单作用多级液压缸，其活塞杆伸出后不能自动缩回， 必须加载外部负载使活塞缩回。因此，本人使用加载液压缸通过对接座与被 试液压缸进行对接，完成对顶加载，从而使被试缸的活塞杆能够通过借助加 载缸的推力缩回至起点。试运行试验液压基本回路如图3 2 所示。 3 2 2 起动压力特性试验 起动压力特性测试试验要求是：液压缸试运转后，在无负载工况下，加 载液压系统压力使无杆腔压力逐渐升高，当液压缸起动时，记录下此时压力 件 每 西南科技大学硕士研究生学位论文第l8 页 值即为最低起动压力。传统试验方法是调节溢流阀直接增高被试缸无杆腔压 力，本课题是通过设定信号控制电液比例调速阀间接增高被试缸无杆腔压力， 对比试验结果发现，本课题试验方法能够很准确有效地测量出被试缸的起动 压力，它比传统试验方法具有控制更实用、更方便、更简单、更有效等优点， 具有一定的创新性。 根据比例调速阀通过流量不随出口压力变