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基于ANSYS的挖掘机液压油缸结构设计
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  • 更新时间:2017-10-20
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  • 挖掘机工作环境非常恶劣,对其执行机构液压油缸的性能要求更加严格。挖掘机 6 t用液压油缸在工作过程中发生活塞杆断裂、油封处漏油故障,主要是由于结构设计不合理和密封结构形式设计不合理造成。

    针对油缸易发生的主要故障,设计新型结构的铲斗液压油缸,如图1所示。油缸安装尺寸 1300 mm,总行程900 mm,工作压力 26 MPa,活塞杆直径 660 mm,缸筒内径 690 mm。

    图1 液压油缸装配图1 油缸结构设计1.1 缸筒壁厚设计计算1)缸筒壁厚计算缸筒是油缸的主体部分,用于连接导向套、耳座,起活塞导向作用,对缸筒的强度、刚度要求较高,缸筒的壁厚和连接强度设计尤为重要。

    缸筒壁厚参照文献[1]中液压缸的壁厚设计计算,缸筒材料选用 27SiMn冷拔钢管,缸筒内径设计为690 mm。当3.2≤D/6<16时,液压缸筒属于中等壁厚,则有:、p D可39×0.09了 獗0.00850.0005 0.009式中:- - 缸筒壁厚度(m)P -- 试验压力(MPa),取工作压力的1.5倍,P 1.5p 1.5×26 39 MPaD-- 缸筒内径(m)- - 强度系数,对于无缝钢管, 1c-- 计人壁厚公差及腐蚀的附加厚度,通常圆整到标准厚度值[ ]-- 缸筒材料许用应力(MPa)[盯]:n式中: 为缸体材料抗拉强度(MPa),n为安全系数,n3.5-5,-般取 5,对于 27SiMn钢 , 980 MPa,则[ ]196 MPa。

    考虑壁厚公差及腐蚀的附加厚度,壁厚圆整为9 mm,则缸筒的外径为 108 mm。

    2)缸筒有限元分析通过有限元分析主要校核缸筒与导向套联接螺纹的强度,保证油缸在受高压载荷冲击时而不发生脆性断裂。

    分析缸简和导向套连接组件,采用Solid1 85单元,收稿日期:20126-15作者简介:汪春晖(1966-),男,安徽合肥人,主要从事挖掘机研发工作。

    2012年第12期 液压与气动 1151 2 3 4 5 6 7 8、9 101.防尘圈 2.轴封 3.O形密封圈 4.缓冲环 5.导向套6.滑动轴套 7.活塞杆 8.O形密封圈 9.挡圈 10.缸简图6 导向套处密封结构图7 油缸厂内试验台测试调整试验台主溢流阀压力为(39±0.5)MPa,对油缸处于活塞杆完成伸出和活塞杆完全缩回两种位置各保压 5 min,然后检查油缸的各焊接处、活塞杆油封处有无渗、漏油现象。油缸耐压试验测试结果见表 1所示。

    表 1 铲斗油缸耐压试验测试溢流阀调定压力/MPa 39±0.5保压时间/min 5活塞杆完全伸出状态 无渗油、漏油现象活塞杆完全缩回状态 无渗油、漏油现象测试油缸的内泄漏量,对油缸有杆腔施加(39±0.5)MPa的压力油,使油缸活塞杆完全缩回,然后拆除无杆腔联接油管,测试 20 min后,用量筒测量的泄漏油量为 1 mL,小于文献[3]中 690 mm缸筒内径对应 0.15 mL/min的内泄漏量要求的标准。

    调节试验台主溢流压力为(26±0.5)MPa,使油缸全行程往复运动20次,油缸运行平稳,无爬行、卡滞现象。

    通过试验台测试油缸的耐压、内泄量和动作性能,油缸的各项试验数据满足设计要求。

    2.2 厂外耐久性试验厂外耐久性试验主要为装机挖掘试验,控制挖掘机在 S模式,发动机转速为2150~2310 r/min范围内,完成 90。挖掘甩方作业。根据文献中对双作用液压缸的耐久性试验要求,当活塞行程 ≥500 mm时,允许按行程 500 mm换向,累计换向次数 Ⅳ≥20万次l3j。

    挖掘机完成-次挖掘和甩方的作业时间约为 l0.5 S,因此完成 20万次所需挖掘机工作 584 h,挖掘机在厂外共完成挖掘作业650 h。完成耐久性试验后,检查铲斗油缸各接头连接处、各焊缝处、活塞杆轴封处无渗油、漏油现象。因此,通过油缸的装机耐久性试验验证了油缸结构设计的正确性、合理性。

    图 8 油缸厂。外装机挖掘测试3 结论(1)挖掘机用铲斗油缸,工况苛刻,因此强度设计是结构设计的关键,通过理论计算和有限元分析证明了铲斗油缸结构设计的正确合理性,强度满足设计要求。

    (2)油缸通过其密闭容腔内的液体做功而传递液压能,其密封结构设计是保证油缸可靠工作的关键。

    因此设计的导向套处密封结构为滑动轴套、缓冲环、轴封、防尘圈的顺序排列结构,对油缸的密封性能和工作的可靠性起了重要作用。

    (3)通过对铲斗油缸厂内试验台耐压、内泄漏量、动作性能试验和厂外装机实施铲斗挖掘及 9O。甩方的耐久性试验,试验后检查油缸的各连接位置、焊接位置和密封位置,无渗油、漏油现象发生,动作流畅,工作可靠。因此,设计的铲斗油缸能够满足使用要求,结构安全,性能可靠。

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