結構強度試驗液壓缸測試框架接頭設計

趙嬋

摘 ?要：液壓缸在結構強度試驗實施過程中廣泛應用，針對液壓缸標定過程中使用的加載框架的設計問題，提出了一種新型框架設計方案，充分考慮液壓缸標定的風險，對框架的接頭采用計算機輔助設計以節約成本，同時通過仿真分析對框架進行了強度校核，仿真結果表明，該框架適用于高載液壓缸標定，加載安全可靠。

關鍵詞：液壓缸;標定框架;仿真分析;保護設計

中圖分類號：TH137.51 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）24-0088-02

Abstract： Hydraulic cylinder is widely used in the process of structural strength test. Aiming at the design of loading frame used in calibration of hydraulic cylinder， a new frame design is proposed， which fully considers the risk of hydraulic cylinder calibration， and in which computer aided design is used for the joint of frame in order to save cost. At the same time， the strength of the frame is checked by simulation analysis. The simulation results show that the frame is suitable for calibration of high load hydraulic cylinder， with a safe and reliable loading property.

Keywords： hydraulic cylinder; calibration frame; simulation analysis; protection design

1 概述

隨著結構強度試驗的周期越來越緊張，液壓缸作為主要加載設備在試驗中重復使用的頻率逐漸升高，在試驗規劃初期，需要對現有設備進行檢測，以滿足試驗需求，尤其針對老舊設備，其存在的弊端很大，如何在試驗初期規劃過程中排除故障設備，試驗設備具備良好的性能，降低試驗過程中的設備故障率，保障試驗周期，降低試驗風險，都具有重要的價值，所以液壓缸檢測框架的價值顯而易見，在新型液壓缸檢測框架的研發過程中，研究了利用有限元分析法對重要接頭構建有限元模型的分布形式[1]，對重要部件進行有限元分析是接頭設計的主要方法[2]，該研究結果可為結構強度試驗液壓缸測試框架的接頭夾具的校核和減重提供參考[3]。通過有限元仿真分析，證明了較原方案接頭方案安全余度較大[4]，在精確建模的基礎上，提出了具備夾具接頭最佳分析方案的建模和有限元分析方法[5]。本文選取了試驗使用規模較大的某噸位液壓缸夾具接頭，針對其設計提出了計算機輔助設計方案，建立了細節有限元模型，提取了拉伸和壓縮載荷以及邊界條件，并對接頭實現穩定性及強度校核，使分析結果更具有針對性與實際意義，更符合工程需求。

2 接頭結構設計

2.1 接頭夾具簡介

液壓缸測試框架主要由邊框，加載支持夾具和傳感器安裝耳片組成，邊框要具備一定的承載能力，以2噸檢測框架為例，其安全系數在數倍以上，以避免出現意外，傳感器連接耳片也是具備一定的安全系數設計，加載支持夾具也就是框架與液壓缸連接的接頭部分，其主要設計需要考慮兩種不同噸位液壓缸的支座尺寸，所以設計過程中需要考慮兩套夾具的匹配設計，這就為設計過程帶來了不確定性。（見圖1）

2.2 接頭夾具設計

接頭夾具主要在不同噸位液壓缸之間起到更換夾具便于安裝的作用，如圖2所示，某噸位液壓缸接頭夾具，其主要由兩個連接塊和中間的支撐結構組成，主要材料為鋁合金結構，其中支撐結構考慮了結構重量控制，設計時采用的回型鋁合金截面，可以保證支撐同時減小重量，兩個連接塊上采用直徑為15mm的螺栓進行連接。一端安裝在框架的支撐端，另一端安裝在液壓缸底座。

3 結構校核

3.1 接頭建模

對接頭夾具進行有限元建模仿真分析，如圖3所示，模型以殼元為主，整個模型包含結點19495個，單元19054個，相對于該接頭整體尺寸，已經達到精細化建模。

3.2 仿真分析

對結構施加工作載荷邊界，主要包括拉載和壓載，由于液壓缸的壓腔沒有活塞桿，其壓力最大值大約是拉載的3倍，所以本文主要對壓向載荷進行研究，在分析過程中對有限元模型施加壓向極限載荷，載荷施加如圖4所示，在液壓缸連接端采用MPC剛性元與加載點進行連接，以模擬框架對接頭的傳力。

應力云圖如圖5所示，最大應力536MPa，各結構應力水平滿足材料許用值。

為了進一步評估夾具接頭的穩定性，對接頭進行了屈曲分析，如圖6所示。對于回截面初始屈曲載荷達到了83kN，完全滿足該噸位液壓缸的測試要求，可以看出仍滿足要求。綜上可以看出，該接頭設計結構強度滿足設計要求。

4 結束語

針對結構強度試驗測試框架的接頭設計問題，在綜合設計同時采用有限元分析方法進行了強度校核，仿真過程中對框架整體的強度裕度和保護設計進行了評估，并在此基礎上提出了接頭設計的具體方案，改善了測試框架存在的安全風險，進一步對框架進行輕量化設計，方便轉場和換裝，一定程度上提高了測試效率，在試驗準備階段節省一定試驗周期，對傳統標定框架的改進具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]匙皓，楊林，唐曉曉.裝配體有限元分析方法研究[J].機械研究與應用，2017，30（2）：78-79，82.

[2]周瑋.中高壓法蘭蝶閥閥體結構強度的有限元分析[J].機械設計與制造，2010（7）：218-220.

[3]楊洪剛，楊海軍.鋁合金填充式攪拌摩擦點焊接頭力學性能仿真分析[J].焊接技術，2015，44（12）：13-15.

[4]黃海峰，萬小朋，趙美英.基于接觸耦合算法的捆綁火箭接頭仿真分析[J].機械設計與制造，2011（1）：242-244.

[5]何融，許晉，張玉東.齒輪加載軸有限元分析方法及其應用研究[J].機械傳動，2018，42（3）：72-75.