葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)的接觸應(yīng)力與沖擊載荷分析

付建軍 史 諾

葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)的接觸應(yīng)力與沖擊載荷分析

付建軍 史 諾

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，楊凌 712100）

針對(duì)某鋼廠使用進(jìn)口德國(guó)的葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)安全性問題,通過Pro/E 軟件建立馬達(dá)的三維模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYS Workbench中，采用軟件中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)馬達(dá)接觸狀態(tài)與沖擊載荷進(jìn)行分析，得出理論上馬達(dá)的應(yīng)力分布、整體位移分布及速度加速度隨時(shí)間變化情況，其結(jié)果表明馬達(dá)的強(qiáng)度和抗變形、抗沖擊能力能夠滿足生產(chǎn)要求。然后通過馬達(dá)的實(shí)際壓力油作用下的相關(guān)零件變形試驗(yàn)對(duì)比,初步確認(rèn)馬達(dá)實(shí)際變形和理論分析基本一致, 這也表明在ANSYS Workbench中建立的葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)模型是基本準(zhǔn)確、可信的。

葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá) 接觸分析 沖擊載荷 ANSYS Workbench

引言

因此，對(duì)擺動(dòng)液壓馬達(dá)在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分析及變形進(jìn)行研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖1　葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

擺動(dòng)液壓馬達(dá)又稱擺動(dòng)液壓缸,它是液壓負(fù)載模擬器及飛行姿態(tài)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)中最重要的執(zhí)行元件之一[1]；它是輸出軸能作往復(fù)擺動(dòng)的液壓執(zhí)行元件，輸入量是壓力和流量，輸出量是轉(zhuǎn)矩和角速度、角位移，旋轉(zhuǎn)角一般小于360°。擺動(dòng)液壓馬達(dá)最突出的優(yōu)點(diǎn)是能使負(fù)載從直線運(yùn)動(dòng)直接獲得往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng), 無需任何變速機(jī)構(gòu)。由于能使輸出軸在較低的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生很大的扭矩、平穩(wěn)的角速度、角位移，馬達(dá)所產(chǎn)生的扭矩與重量和尺寸比值是很高的，可以說擺動(dòng)液壓馬達(dá)是把壓力能轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)矩最合理和最緊湊的裝置。按結(jié)構(gòu)形式分類,擺動(dòng)液壓馬達(dá)大體可分為葉片式和活塞式兩大類。葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工制造相對(duì)容易,工作可靠等獲得到了非常廣泛的應(yīng)用[2-4]。

ANSYS Workbench 軟件是美國(guó)某公司開發(fā)的新一代協(xié)同仿真平臺(tái)。它提出的背景主要是傳統(tǒng)CAD軟件在設(shè)計(jì)研發(fā)中的不足，主要由Design Modeler、Design Simulation、Design Xplorer三個(gè)模塊組成。集設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化于一體，便于設(shè)計(jì)人員隨時(shí)進(jìn)入不同功能模塊之間進(jìn)行雙向參數(shù)互動(dòng)調(diào)用，使仿真相關(guān)的人、部門、技術(shù)及數(shù)據(jù)在統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作,極大的提高了設(shè)計(jì)研發(fā)的效率[5]。

本文以某鋼廠使用進(jìn)口德國(guó)的葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)為對(duì)象，利用Pro/E 軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模，并通過程序接口導(dǎo)入ANSYS Workbench 軟件進(jìn)行有限元分析，主要針對(duì)馬達(dá)反向輸出時(shí)，沖擊載荷作用下馬達(dá)強(qiáng)度、剛度、接觸應(yīng)力、速度等的計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了馬達(dá)強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

1 擺動(dòng)液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)及問題提出

圖1為葉片擺動(dòng)液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。整個(gè)擺動(dòng)液壓馬達(dá)主要由花鍵軸1、前端蓋3與后端蓋9、缸體6、動(dòng)葉片12及靜葉片14等組成。葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)的其性能取決于液壓油力設(shè)計(jì)，也與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，其可靠性設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)擺動(dòng)液壓馬達(dá)的安全運(yùn)行及使用壽命有著重要影響。

馬達(dá)設(shè)備工作時(shí)會(huì)受到諸如振動(dòng)、沖擊、搖擺、顫振等多種形式的機(jī)械力,對(duì)其危害最大的是沖擊,因?yàn)闆_擊所產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力超過設(shè)備的強(qiáng)度極限而造成破壞或者沖擊力引起的應(yīng)力雖遠(yuǎn)低于材料在靜載荷下的強(qiáng)度,但長(zhǎng)期的多次沖擊會(huì)使設(shè)備疲勞破壞。所以，對(duì)沖擊載荷有必要進(jìn)行分析。

馬達(dá)的接觸與沖擊載荷分析的目的是計(jì)算馬達(dá)在瞬時(shí)反向旋轉(zhuǎn)下的變形、應(yīng)力分布及最大速度、加速度值，以檢驗(yàn)該馬達(dá)的設(shè)計(jì)能否滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。為了能對(duì)葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)的抗變形能力和強(qiáng)度有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，我們利用ANSYS軟件的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊對(duì)馬達(dá)進(jìn)行模擬分析。

2 ANSYS Workbench分析過程

2.1 葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)實(shí)體模型的構(gòu)建

擺動(dòng)馬達(dá)總成三維實(shí)體模型在 Pro/E軟件中完成，Pro/E軟件因其性能優(yōu)異且易用，極大地提高了機(jī)械設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有必要對(duì)其做簡(jiǎn)化處理,即去掉不影響結(jié)果的結(jié)構(gòu)。例如略去倒角、小凸臺(tái)、小圓角等不重要的小結(jié)構(gòu)。三維模型如圖2所示。

圖2　導(dǎo)入ASNSYS Workbench中的實(shí)體及網(wǎng)格劃分圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)劃分

網(wǎng)格劃分過程一般分為：定義單元屬性和合理定義網(wǎng)格。定義單元屬性如表1所示。

表1　馬達(dá)材料屬性

系統(tǒng)剛度是葉片式擺動(dòng)馬達(dá)研制過程中面臨的主要問題之一。例如馬達(dá)缸體與花鍵軸變形大，將有可能導(dǎo)致泄漏加劇，進(jìn)而降低系統(tǒng)頻帶和剛性，最終影響馬達(dá)的容積效率，所以必須對(duì)其進(jìn)行合理選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]。在材料的選擇方面，馬達(dá)的葉片采用3Cr13，缸體和中花鍵軸均選用45鋼，材料較好的機(jī)械性能為馬達(dá)的剛性提供很好的基礎(chǔ)。

網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，而且網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后對(duì)計(jì)算精度影響不大，所以網(wǎng)格數(shù)量有一定的合理性[7-8]。借助workbench四面體網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后的有限元模型共有63565個(gè)單元，98274個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

2.3 接觸面設(shè)置、邊界條件及沖擊載荷的施加

葉片外表面與缸體內(nèi)壁、葉片內(nèi)壁與輸出軸表面采用面-面接觸的方式。在接觸問題中，更重要的是定義主面和從面，一般情況下選擇網(wǎng)格較細(xì)密的面為從面，如果主從面的網(wǎng)格密度大致相等，那么選擇剛度較小的面作為從面。由于葉片輸出軸與缸體的網(wǎng)格密度大致相同，但葉片的剛度更大，故選擇葉片表面為從面，缸體內(nèi)壁為主面，如圖3所示。

圖3　葉片與缸體接觸面設(shè)置及載荷約束圖

沖擊是指一個(gè)系統(tǒng)在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)(通常以毫秒計(jì)),受到瞬態(tài)激勵(lì),其位移、速度或加速度發(fā)生突然變化的物理現(xiàn)象。從理論分析的角度看,沖擊響應(yīng)就是系統(tǒng)受到一種短暫的脈沖、階躍或其他瞬態(tài)的非周期激勵(lì)的響應(yīng)。馬達(dá)在反向旋轉(zhuǎn)瞬時(shí)，動(dòng)葉片承受的瞬時(shí)壓力油就屬于沖擊載荷。馬達(dá)設(shè)備受到?jīng)_擊載荷作用時(shí),輕者馬達(dá)不能正常工作功能失效,重者會(huì)發(fā)生災(zāi)難性后果。沖擊載荷施加如下：

輸出軸的是通過高壓液壓油驅(qū)動(dòng)葉片帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，基于馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)瞬間工況下進(jìn)行分析，在缸體內(nèi)壁，輸出軸外圓面以與葉片側(cè)面圍成90o范圍內(nèi)加載荷16MPa，用來模擬高壓液壓油。其中，載荷步設(shè)置參數(shù)為：本次分析載荷步共2步，每一步的時(shí)間都為0.01s，即第一載荷步終止時(shí)間0.01s，第2步載荷步終止時(shí)間0.02s；兩個(gè)載荷步都設(shè)置為0.001s，最小子步設(shè)置為0.0001s，最大子步設(shè)置為0.02s；另外，為了防止在沒有載荷的方向出現(xiàn)剛體位移，兩個(gè)載荷步中都打開弱彈簧（Weak Spring），如圖4所示。

圖4　按照載荷步輸入力

3 分析結(jié)果及強(qiáng)度校核

3.1 應(yīng)力結(jié)果分析

通過Workbench后處理器對(duì)馬達(dá)進(jìn)行分析，得出馬達(dá)在反向旋轉(zhuǎn)沖擊載荷作用下的應(yīng)力分布，如圖5所示。在端蓋約束處，受到的應(yīng)力較大。在缸體高壓腔內(nèi)部，由于高壓油作用受應(yīng)力也較大，從圖5中可以看出，最大應(yīng)力為169.8MPa，發(fā)生在缸體與端蓋的連接處。根據(jù)材料性質(zhì)可知，其屈服極限σs=355Mpa。根據(jù)實(shí)際情況，取安全系數(shù)為1.5，計(jì)算許用應(yīng)力[σ]=355/1.5=237Mpa。分析結(jié)果所得的最大應(yīng)力σmax=169.8MPa＜[σ]，因此馬達(dá)的總成設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

圖5　馬達(dá)應(yīng)力分布云圖

3.2 沖擊產(chǎn)生的變形位移分析

在沖擊載荷作用下，馬達(dá)的各向位移分布如圖6-9所示。其中，在缸體高壓腔內(nèi)最大壓強(qiáng)處，相對(duì)位移最大，其最大數(shù)值0.043mm。其他部位，相對(duì)位移較小。根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可以知道，最大位移在材料可控范圍內(nèi)，馬達(dá)的剛度滿足生產(chǎn)要求。

圖6　X方向變形云圖

圖7　Y方向變形云圖

圖8　Z方向變形云圖

圖9　整體變形云圖

3.3 接觸分析

葉片與缸體接觸狀態(tài)、葉片與缸體接觸摩擦力如圖10所示。圖10清晰展現(xiàn)了葉片與缸體接觸區(qū)域狀態(tài)，根據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析可以得到以下結(jié)論：圖10可知接觸壓應(yīng)力最大為88MPa，由圖10葉片與缸體接觸應(yīng)力云圖可知，摩擦應(yīng)力較小僅為20MPa，對(duì)整體的影響效果較小。摩擦應(yīng)力越小，密封材料磨損越小，導(dǎo)致馬達(dá)摩擦轉(zhuǎn)矩越小，啟動(dòng)容易，提高了馬達(dá)的低速性能，系統(tǒng)越穩(wěn)定，不易出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象。

圖10　葉片與缸體接觸摩擦應(yīng)力與接觸壓應(yīng)力云圖

3.4 沖擊產(chǎn)生的速度與加速度分析

速度與時(shí)間關(guān)系如圖11所示，由圖可知馬達(dá)在換向的瞬間0.0025s時(shí)產(chǎn)生的速度最大，隨著時(shí)間的推移，速度慢慢下降，最后在0.01s時(shí)趨于穩(wěn)定，即馬達(dá)開始勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖11　速度與時(shí)間關(guān)系曲線圖

加速度與時(shí)間關(guān)系如圖12所示，由圖可知馬達(dá)在換向的瞬間0.0025s時(shí)產(chǎn)生的最大加速度為2044.5mm2/s，隨著時(shí)間的推移加速度逐漸減小，大約在0.01s加速度變?yōu)榱悖瘩R達(dá)開始勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這與速度和時(shí)間關(guān)系曲線圖相吻合。

圖12　加速度與時(shí)間關(guān)系曲線圖

4 實(shí)驗(yàn)分析

ANSYS Workbench有限元分析結(jié)果與擺動(dòng)液壓馬達(dá)實(shí)際變形是否基本一致,我們進(jìn)行了如下試驗(yàn):

在實(shí)驗(yàn)前，我們選用分度值為0.001mm 的千分表，它的精度較高，但擺動(dòng)液壓馬達(dá)殼體的外表面的粗糙度比較大，因此我們首先用對(duì)殼體的外表面進(jìn)行打磨處理，使其相對(duì)比較光滑而不影響測(cè)量的結(jié)果。同時(shí)要對(duì)殼體的變形進(jìn)行多次測(cè)量，每次測(cè)量去最大的變形值，最后在取平均值。千分表安裝如圖13所示。

圖13　高壓腔腔變形示意圖

馬達(dá)狀況：用電液換向閥控制油路,使動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)到極限角度并頂住定葉片。高壓腔通壓力油，低壓腔通回油。調(diào)油源壓力4MPa、6MPa、8MPa、10Mpa、12Mpa、14Mpa和16MPa。如圖7所示，分別在2個(gè)位置設(shè)置千分表，并記錄千分表的相應(yīng)讀數(shù)，后再取平均值，實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　高壓腔變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知,葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)實(shí)測(cè)變形最大為0.0313mm，實(shí)驗(yàn)所得的變形量略小設(shè)計(jì)時(shí)通ANSYS Workbench有限元計(jì)算所得的變形量0.043mm，在同一數(shù)量級(jí)之內(nèi)。其略小于理論分析結(jié)果的原因可能是有兩個(gè)：一是在用ANSYS Workbench對(duì)葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)建模時(shí)忽視了一些次要因素。另一個(gè)原因可能是由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境的限制, 千分表的安裝位置不一定恰在最大變形處, 導(dǎo)致測(cè)量到的數(shù)值不是最大變形值。

5 結(jié)論

（1）借助ANSYS Workbench軟件可以清楚的看到擺動(dòng)液壓馬達(dá)應(yīng)力和整體位移分布情況，找到了應(yīng)力主要集中區(qū)域以及發(fā)生最大變形的位置。計(jì)算結(jié)果表明：該馬達(dá)強(qiáng)度滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。（2）從馬達(dá)接觸狀態(tài)圖知，該馬達(dá)機(jī)械摩擦損失、馬達(dá)的啟動(dòng)特性、低速穩(wěn)定性較好，系統(tǒng)較穩(wěn)定。（3）從馬達(dá)速度與加速度隨時(shí)間變化曲線圖可知，馬達(dá)在反向旋轉(zhuǎn)瞬時(shí)產(chǎn)生的速度與加速度是很大的，應(yīng)該設(shè)計(jì)緩沖裝置，以免影響馬達(dá)的使用壽命。（4）葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)在滿載荷作用下有應(yīng)力集中作用，在靜葉片與動(dòng)葉片的密封槽內(nèi)及與左右端蓋接觸的邊緣處，為延長(zhǎng)擺動(dòng)液壓馬達(dá)的使用壽命，對(duì)危險(xiǎn)部位進(jìn)行一定的工藝處理是必要的。此外，通過實(shí)驗(yàn)的分析，驗(yàn)證了有限元方法的準(zhǔn)確性，也反映出擺動(dòng)液壓馬達(dá)在設(shè)計(jì)中的不足，為擺動(dòng)液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、提高它的性能提供了有利的數(shù)值指導(dǎo)。

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Contact and Impact Load Analysis of Hydraulic Rotary Vane Actuators

FU Jianjun, SHI Nuo
(School of Mechanical Engineering, YangLing Vocational And Technology of College,Yangling 712100，China)

For the structural safety of hydraulic rotary actuators, we created the FEA model of the hydraulic rotary vane actuators by using the Pro/E software and the finite element analysis software ANSYS Workbench. Meanwhile, using the finite element analysis software ANSYS Workbench analysis stress，strain， contact state velocity distribution and acceleration variation with time. The results show that the anti-deformation and intensity performance of the actuators were reasonable. Then, by comparing the result of deformation test with the theory ANSYS Workbenches' result, we draw a conclusion that the actual deformation of hydraulic rotary actuators as consistent with the theory. It also shows that the model of the hydraulic rotary actuators created by ANSYS Workbench software was correct and available.

hydraulic Rotary Vane Actuators（RVA）,contact Analysis,Impact Load,ANSYS Workbench

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410449028）。