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液壓缸是液壓系統(tǒng)中非常重要的執(zhí)行元件,其驅(qū)動機構作直線往復運動,將流體的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能,工作平穩(wěn),慣性小,反應快。泄漏是液壓傳動系統(tǒng)必須解決的問題。內(nèi)泄漏會引起系統(tǒng)容積效率的急劇下降，使系統(tǒng)達不到所需的工作壓力，造成設備無法正常運轉(zhuǎn); 外泄漏則造成工作介質(zhì)浪費和環(huán)境污染，甚至引發(fā)設備操作失靈和人身事故。21MPa3級液壓缸主要用于鉆井支架的豎起與放落，由于壓力較大，工作時容易出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。本文運用SolidWorksSimulation有限元分析軟件對外缸筒進行分析，并提出改進方法，有效地解決了其泄漏問題。
1、結構及受力分析
21MPa3級液壓缸的結構如圖1所示，為柱塞式和雙作用活塞式相結合的結構。在豎起支架時，大直徑缸(1級缸) 先伸出，然后2級缸、3級缸出，升起過程中速度逐漸減小。工作結束收起液壓缸時，小直徑缸(3級缸) 先收起，依靠重力逐級收回。
在外缸筒上開設安裝卡環(huán)的環(huán)形槽，以固定導向套。外缸筒受力如圖2所示，包括液壓油、導向套、卡環(huán)和擋圈對內(nèi)壁的正壓力，以及卡環(huán)對環(huán)形槽的軸向壓力。由于開有環(huán)形槽，缸筒的壁厚被削弱。在承受較大壓力時，外缸筒會出現(xiàn)“喇叭口”狀的變形，從而導致液壓油泄漏，影響鉆井支架順利豎起與放落。
2、Simulation有限元計算
作為SolidWorks 的插件，Simulation與Solid-Works無縫集成，其功能強大，界面友好，操作簡單，計算結果可靠。Simulation能夠進行應力分析、應變分析、頻率分析、熱分析、掉落測試、疲勞分析、設計優(yōu)化、線性和非線性分析等。與Ansys等有限元分析軟件相比，Simulation 以其直觀性和易操作性得到了越來越廣泛的應用。
21MPa3級液壓缸外缸筒 Simulation 有限元計算步驟如下：
(1)、創(chuàng)建算例 運行 Simulation 插件并建立靜態(tài)算例。計算位移、反作用力、應變、應力和安全系數(shù)分布。當應力超過一定數(shù)值時材料將失效。安全系數(shù)計算基于失效準則，安全系數(shù)低于1，即表示材料失效。
(2)、設置材料屬性 在 Simulation 中將外缸筒的材質(zhì)指定為合金鋼。
(3)、添加約束為完成靜態(tài)分析，模型須正確施加約束，使之無法移動。Simulation 提供了各種夾具來約束模型。在外缸筒的工作過程中，其端面圓環(huán)與后蓋焊接在一起，故在外缸筒的圓環(huán)面上施加固定幾何體約束。
(4)、施加載荷為簡化計算，在缸筒的內(nèi)壁上施加 21MPa的垂直正壓力，在環(huán)形槽面上施加軸向壓力21MPa，模擬外缸筒的實際受力情況。
(5)、網(wǎng)格化模型 Simulation 采用四面體實體單元劃分實體幾何體，采用高品質(zhì)單元 (2階單元) 以達到較好的模擬能力，提高分析結果的可靠性。
(6) 運行算例分析完成后，在Simulation 樹形分析管理器中生成各種圖解。顯示的位移圖解如圖3所示。
3、結果分析
Simulation對零件模型進行應力分析，分析結果的精確度取決于材質(zhì)屬性、約束以及載荷。為使結果有效，指定的材質(zhì)屬性必須能夠準確描述零件材質(zhì)，約束與載荷須準確描述零件的實際工作條件。本文的分析嚴格按照實際情況進行設置，結果是可靠的。
由于面1、面2、面3 (見圖1) 直接或間接與密封圈相接觸，故須保證其變形較小。在Simula-tion 軟件中，使用“探測”工具分別測量3 個面的最大位移，結果見表1。
4、結構改進
為了減小變形量，避免發(fā)生泄漏現(xiàn)象，在缸筒外與環(huán)形槽相對的位置增加1道箍，如圖4所示。
用Simulation對該裝配體按照2中的步驟進行分析，注意不同之處:
(1) 指定箍的材質(zhì)為合金鋼。
(2) 指定零部件間的連接類型。分析裝配體時，須了解裝配體的各個零部件之間接觸類型，以保證建立的數(shù)學模型能夠正確計算接觸時的應力和變形。實際工作時，外缸筒與箍一起受力變形，故此處指定連接類型為 “接合”，即把裝配體看成是一個整體。
分析完成后顯示的位移圖解如圖 5 所示。
在Simulation 軟件中，使用 “探測”工具分別測量面1、面2、面3的最大位移，并將計算結果進行比較，見表1。
從表1中可以看出，3個與密封相關的面的位移均變小。并且，在現(xiàn)場測試中，改進結構沒有發(fā)生泄漏，理論分析與實際結果相吻合，證明了改進設計的可行性。
5、結論
借助Simulation 有限元分析軟件，得出2種結構在同樣的載荷條件下位移的變化情況，為結構改進提供了理論依據(jù)。通過比較可知結構改進后外缸筒的受力變形明顯減小，從根本上避免了泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。改進結構的液壓缸已投入使用，沒有發(fā)生泄漏現(xiàn)象，證明了改進設計的合理性。
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