輪式起重機液壓油缸性能有限元分析研究

（江海職業技術學院，江蘇揚州市，225101） 郭長城

利用有限元分析方法對輪式起重機液壓油缸嵌強度和穩定性進行分析，能夠將復雜的液壓油缸結構分解為有限元模型，利用參數化方式快速生成相應的模型，有效縮短設計時間、提高設計效率，控制設計成本。通過對輪式起重機液壓油缸性能細化分析，提升設計水平和生產效率，提升輪式起重機力學性能，不僅能夠提升設備整體運行水平，還能夠為企業經濟效益和社會效益提升起到良好促進作用。

1 輪式起重機液壓油缸有限元分析的意義

有限元分析是利用數學近似方法對真實物理系統進行模擬，將物理結構劃分為簡單而又相互作用的元素（單元），利用有限數量的未知量逼近未知量的真實系統，將復雜問題轉換為簡單問題進行求解，實現多種復雜結構和復雜形狀工程結構分析。輪式起重機運行性能主要受液壓油缸運行參數影響，在產品設計環節，某一參數改變都會對整體性能產生影響，采用傳統方法進行分析，不僅分析結果準確性不足，工作效率也較為低下，使得產品設計難以滿足生產變革和技術革新要求，難以滿足產品整體性能優化要求[1]。通過有限元分析方法的應用，能夠有效提升設計工作效率，對液壓油缸結構和功能優化，在有效提升起重機液壓油缸性能基礎上，推動我國輪式起重機產業創新發展。

2 輪式起重機液壓油缸有限元分析方法

2.1.輪式起重機液壓油缸結構及工作原理

輪式起重機液壓油缸包括垂直油缸、水平油缸、變幅油缸、配重油缸、伸縮油缸等類型，在機械作業工況中，分別起到控制起重機支腿結構、改變起吊物品高度、調節起重機配重、調節吊臂長度等作用，滿足設備功能實現要求。以某型號輪式起重機為例，忽略對油缸強度影響較小的部分，可以將組成結構分為前部結構和后部結構，其中前部結構主要包括油缸桿鉸耳、油缸桿缸蓋、導向套、芯管接頭、芯管活塞等；后部結構則主要包括桿小頭、活塞及芯管導向套等。這些零部件多是以焊接方式進行連接，能夠有效節約加工時間，降低材料損耗，在進行有效的密封和潤滑處理后，滿足不同作業要求下部件相對運動要求[2]。輪式起重機液壓油缸在工作中，是通過變幅油缸在一定范圍內的伸縮變動，將作業范圍由垂直的直線擴展為二維作業面。

2.2 輪式起重機液壓油缸參數化建模

參數化建模是利用專門的計算機軟件，將分析對象的幾何特性轉變為幾何模型的基本元素，并通過自由參數對各個元素的關系進行分析。以本課題液壓油缸參數化模型構建為例，是利用Creo軟件進行建模，選取具有代表性的零部件進行分析。依照不同構件在運行中的作用方式不同，可以分為旋轉件零部件建模（如桿小頭）、拉伸件零部件建模（如鉸耳）等。在主要零部件參數化模型搭建完成后，利用信息坐標系骨架模型分析對應零部件之間的裝配關系。

2.3 輪式起重機液壓油缸有限元分析應用

有限元分析是在對分析對象進行參數化建模后，分解成若干結構進行離散，用近似函數表達結構的未知場變量，再通過約束條件下的有限元方程求解，對復雜結構的強度、剛度及穩定性等性能進行分析。以輪式起重機液壓油缸的有限元分析為例，是在進行參數化建模后，再利用ANSYS 軟件分析計算。

3 輪式起重機液壓油缸強度有限元分析

3.1 有限元建模

有限元建模是液壓油缸強度分析的基礎，實際應用中可以采用外部導入建模和軟件內語言建模兩種方式，在依據模型基本形式確定單元類型和網格密度的同時，選擇合適的建模方法。模型結構要在確保計算結果準確性、滿足系統運算能力基礎上，盡量予以簡化，篩選出不必要的結構，避免由于細節過多導致計算失敗，盡量使用平面模型代替三維實體模型[3]。本課題研究中，采用Creo 軟件建立三維模型后，通過格式調整導入ANSYS 軟件，搭建液壓油缸三維模型圖，滿足有限元分析要求。

3.2 材料參數及單元類型設置

本課題研究中選擇的液壓油缸主要使用鋼材料，材料參數主要考慮彈性模量、泊松比、密度，在軟件操作界面中，設置材料名稱及屬性定義，參照所使用材料特性，定義材料數值。根據強度的影響因素、單元類型特征和計算實施要求，將模型劃分為實體單元，在合理進行網格劃分，并對接觸單元進行接觸設置，在保留必要的單元后，有效提升有限元計算精度和計算效率。

3.3 網格劃分及接觸設置

網格劃分是有限元分析中應當計算精度和計算效率最為關鍵的因素，ANSYS軟件能夠以自動生成方式，將導入的模型劃分為合理數量的網格。將所有零部件網格組裝后，即可獲取整體結構模型。以桿小頭為例，組裝后的有限元模型如圖1所示。接觸設置是根據液壓油缸制作中，所采用焊接或螺栓連接方式不同，選擇模型中對應的接觸方式，以實現對設備動態性能的分析。通常情形下，焊接及螺紋連接設定為綁定接觸，而相對滑動或有其他動作的連接部位，則設定為標準滑動接觸。

圖1 變幅油缸桿小頭組裝有限元模型

3.4 邊界條件設置及載荷施加

液壓油缸性能的有限元分析，必須考慮設備運行狀態變換極端情況，在固定狀態下，設置x、y、z三個方向上的自由度。設備運行載荷主要是由自重和油壓變動實現的，在自重相對固定情形下，進行有限元分析時，應當通過油壓變化具體分析液壓油缸強度性能。油壓模擬，主要是通過在無桿腔處施加均布載荷，利用空間與壓強關系，明確油缸桿伸出長度變化與油腔內油壓變化關系。

3.5 液壓油缸有限元分強度結果分析

在搭建液壓油缸有限元模型并進行前處理后，即可選擇根據起重機工況特征，設定不同的工況組合，實現對部分零部件的有限元強度分析。在模型中輸入相關參數后，即可得出不同工況下應力云圖，并得出對應的處理結果。本課題研究中，所選擇的工況組合及應力分析結果如表1所示。

表1 液壓油缸部分工況組合零部件有限元強度分析結果

3.6 液壓油缸保壓應力測試實驗

對液壓油缸主要零部件進行保壓應力測試，主要是利用電測法進行，將應變片準確粘貼于被測構件表面位置，根據壓力變化中應變片的變形情況，應變儀能夠輸出對應的應力值，以此與有限元計算結果對比，驗證計算結果準確性[4]。本課題研究中，選擇無線靜態應力應變測試系統進行，將應變片分別粘貼于活塞伸出部分、缸筒與缸底連接部位、平衡閥座等位置，通過向缸筒大腔、小腔加載實驗壓力方式，獲取相應位置壓力值。對比結果顯示，缸筒中部和底部位置數據偏差小于10%，但缸桿中部數據偏差為20%，主要原因是由于模型中沒有對此結構進行模擬，考慮到輸油管路的承載作用，總體偏差也在10%范圍內，因此有限元分析結果偏差在合理范圍內，能夠為設計優化提供較為精準的參考。

4 輪式起重機液壓油缸穩定性分析

4.1 穩定性分析理論

穩定性分析是以結構失穩理論為基礎的，在液壓油缸長期運行中，主要是由細長壓桿承受軸向壓縮載荷作用，在液壓缸產生屈曲前，隨位移、應變等線性影響，但是在超出臨界載荷時，則會導致壓桿無法恢復原有狀態，該結構和液壓油缸結構喪失穩定性。

4.2 解析法和有限元計算方法

解析法是考慮變幅油缸固定狀態下，利用材料力學公式，求解車架及起重機臂不同連接方式下臨界載荷。連接方式主要有兩端鉸接及一端固接一端鉸接兩種情況，分別計算對應狀態的最大臨界應力，即可得出結構的失穩條件。利用有限元法分析壓桿結構的承載能力和失效因素，主要是基于有限元屈曲分析原理，確定壓桿結構在特定載荷狀態下的穩定性，確定結構失穩的臨界載荷[5]。本課題研究中，是在分析液壓油缸強度基礎上，利用ANSYS軟件中的靜力學和屈曲計算模塊，完成屈曲分析。但是由于分析過程過于理想化，因此在工程應用中，通常選取三至五倍安全系數，以確保起重機設備整體運行安全。

4.3 屈曲計算過程及結果

本課題研究中，以變幅油缸有限元分析為例，具體實施包括如下流程：（1）利用ANSYS 軟件創建靜力學分析和屈曲分析模塊，并將兩個模塊自動連接。（2）依照有限元分析方法應用要求完成相應的設置，采用施加一個單位載荷方式進行靜力學分析，得出最大臨界載荷，也就是屈曲安全系數。（3）在系統選項中設置屈曲計算階數，通過多次計算對比，提升計算結果可靠性。（4）完成屈曲計算，獲取屈曲特征值及模態圖，將屈曲特征值與施加載荷相乘，即可獲取臨界應力。本課題研究中，所得出的變幅屈曲安全系數為2.68371，在與屈曲實驗結果對比后，即可準確評估油缸穩定性。

4.4 屈曲實驗

屈曲實驗所設計條件與解析法計算設定連接狀態相同，將變幅油缸兩端鉸耳固定于實驗臺后，利用伺服動作器施加載荷，記錄液壓油缸失穩變形是的載荷數值，作為失穩臨界載荷[6]。基于實驗結果與計算結果對比，可以看出利用有限元方法得出的失穩載荷大小與實驗結果一致，能夠作為液壓油缸結構設計和優化的參考。在具體實施中，還可以通過增加測試樣本數量、增加剛度影響等方式，對有限元法進行優化，更好的提升計算結果準確性，提升設計優化水平。

5 結語

輪式起重機液壓油缸性能優化，是產品設計和生產方案制定需要參考的關鍵因素，在相關產品設計中，技術人員應當依照有限元分析法應用的具體要求，選擇合適的分析軟件，結合實驗準確評估不同因素對油缸整體性能的影響，通過具體參數優化，選擇更為合適設計方案，為有效提升產品性能起到應有的促進作用，為輪式起重機產業發展做出積極貢獻。