液壓缸負載打壓通用試驗臺架的設計優化分析

沈樹林，趙 兵，何東升，吳建雄，田 鵬

液壓缸是將液壓能轉變為機械能的、做直線往復運動或擺動運動的液壓執行元件。用它來實現往復運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩，液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。隨著液壓技術的高速發展，它結構簡單、工作可靠、沒有污染等優點。在各種機械的液壓系統中得到廣泛應用。伴隨的發生故障的可能性也隨之增多，液壓缸維修完成時，需要對液壓缸進行打壓試驗及性能指標參數進行校核，各項指標符合行業技術要求，滿足生產設備工藝要求，滿足甲方要求。我公司目前的打壓試驗臺架最大壓力為25Mpa，無法滿足25Mpa 以上的液壓缸打壓試驗，由于生產線上不同壓力液壓缸尺寸型號量程距離也都不統一，因此需要一種滿足于各種尺寸、壓力的液壓缸進行對頂負載打壓試驗的臺架裝置，進行液壓缸打壓試驗及各數據參數性能比對，從而減輕人力及成本費用的浪費，本論文的目的是針對現有打壓試驗臺架通用性不足的問題，設計一種用于液壓缸進行對頂負載打壓試驗的臺架裝置，屬于液壓技術領域。

1 液壓缸負載打壓試驗臺架的設計

首先給出了液壓缸打壓試驗臺架的設計目標和主要完成技術指標，可以用于不同尺寸、不同行程、不同安裝形式、超高壓（25Mpa-45Mpa）的液壓缸進行負載打壓試驗。即設計最大承載能力為50000KN 的四梁可調，液壓缸打壓試驗臺架的形式，通過SolidWorks 完成了試驗臺主體結構設計：上下梁設計、立柱設計和梯形底座等設計，并完成了試驗臺虛擬裝配，如調高、定位、孔軸和調架等位置、強度校核等，并利用Simulation模塊進行工況模擬，不斷調整，優化整體鋼架及部分零件的強度。最總滿足試驗標準及對液壓缸打壓試驗臺架的技術要求及行業要求。

下面對液壓缸打壓試驗臺架的組成部件進行詳細介紹：

A 梁、B 梁、對頂缸、試驗缸、對頂缸固定底座、試驗缸固定底座、筋板、1#橫梁、2#橫梁、3#橫梁、軸銷、軸套、立柱、A梁連接板、B 梁連接板等主要部件組成。

用于液壓缸進行對頂負載打壓試驗的臺架裝置：包括A 梁、B 梁、對頂缸、試驗缸、對頂缸承力套件、試驗缸（耳軸、底座）承力套件、立柱、A 梁連接板、B 梁連接板。A 梁與A 梁連接板通過螺栓連接為框架整體；B 梁與B 梁連接板通過螺栓連接為框架整體，A 梁和B 梁為焊接件；A 梁的兩側內立面對稱設置若干相同尺寸的等距槽；B 梁兩側內立面對稱設置若干相同直徑的等距孔和相同尺寸的等距槽,兩側上平面設置若干相同直徑的等距螺栓孔；對頂缸承力套件和試驗缸（耳軸、底座）承力套件通過兩側對稱的等距槽或等距孔安裝固定；對頂缸分別與對頂缸承力套件和試驗缸活塞桿連接；試驗缸分別與試驗缸（耳軸、底座）承力套件和對頂缸活塞桿連接；試驗缸隨著對頂缸運動而運動。

如上所述，其特征在于A 梁的內立面和B 梁的內立面槽均為長方形，上下對應的槽相重合，對頂缸中心線與試驗缸中心線重合，對頂缸中心線和等距孔中心線高度相同，特征在于對頂缸活塞桿直徑小于試驗缸活塞桿直徑。對頂缸承力套件包括對頂缸固定底座、筋板、1#橫梁、2#橫梁和3#橫梁，對頂缸固定底座，通過兩側內立面對稱的等距槽安裝固定，對頂缸承力套件之間通過焊接方式進行連接固定。

當試驗缸為尾部耳環型安裝方式時，采用試驗缸耳軸承力套件，試驗缸耳軸承力套件包括軸銷和軸套，軸銷中間部位穿過耳軸，軸銷兩端插入軸套內，軸銷和軸套插入B 梁兩側立面對稱等距孔內；當試驗缸為徑向底座型安裝方式時，采用試驗缸底座承力套件，試驗缸底座承力套件包括試驗缸固定底座、筋板、1#橫梁、2#橫梁和4#橫梁，試驗缸固定底座通過兩側內立面對稱的等距槽安裝固定，試驗缸底座承力套件之間通過焊接方式進行連接固定。A 梁的內立面和B 梁的內立面槽均為長方體，上下對應的槽相重合。對頂缸中心線與試驗缸中心線重合，對頂缸中心線和等距孔中心線高度相同。對頂缸活塞桿直徑小于試驗缸活塞桿直徑。當試驗缸為徑向底座型安裝方式時，采用試驗缸底座承力套件，試驗缸通過螺栓連接固定到試驗缸承力套件上；對頂缸的活塞桿與試驗缸的活塞桿相連接，當對頂缸運動時，試驗缸也會隨之運動，對頂缸活塞橫截面積比試驗缸的大，相同的力，試驗缸產生的壓強比對頂缸大，以滿足高壓負載的需要。

進一步說明液壓缸負載打壓試驗臺架的設計，A 梁1、B 梁2、對頂缸3、試驗缸4、對頂缸承力套件、試驗缸（耳軸、底座）承力套件、立柱14、A 梁連接板15、B 梁連接板16。A 梁1 和B 梁2 為焊接件， A 梁1 與A 梁連接板15 通過螺栓連接為框架整體；B 梁2 與B 梁連接板16 通過螺栓連接為框架整體；A 梁1 的兩側內立面對稱設置若干相同尺寸的等距槽，槽為長方體；B 梁2 兩側內立面對稱設置若干相同直徑的等距孔和相同尺寸的等距槽,兩側上平面設置若干相同直徑的等距螺栓孔；對頂缸承力套件是由對頂缸固定底座5、筋板7、1#橫梁8、2#橫梁9 和3#橫梁10 焊接而成，試驗缸底座承力套件；試驗缸底座承力套件是由試驗缸固定底座6、筋板7、1#橫梁8、2#橫梁9 和4#橫梁11 焊接而成；對頂缸承力套件和試驗缸底座承力套件通過等距槽進行安裝固定，對頂缸通過螺栓連接固定到對頂缸承力套件上；當試驗缸為尾部耳環型安裝方式時，采用試驗缸耳軸承力套件，軸銷12 中間部位穿過耳軸，軸銷12 兩端插入軸套13 內，軸銷12和軸套13 插入B 梁2 兩側立面對稱等距孔內進行固定；當試驗缸為徑向底座型安裝方式時，采用試驗缸底座承力套件，試驗缸通過螺栓連接固定到試驗缸承力套件上；對頂缸的活塞桿與試驗缸的活塞桿相連接，當對頂缸運動時，試驗缸也會隨之運動，對頂缸活塞橫截面積比試驗缸的大，相同的力，試驗缸產生的壓強比對頂缸大，以滿足高壓負載的需要，以上考慮了所有的安裝方式及相應的對策，解決了實際的安裝問題，并對現場生產及安裝人員起到了技術指導作用，綜上液壓缸打壓試驗臺架的所有的零部件設計完成，并相應的組合完成，并對關鍵位置的高度和孔的強度進行了強度校核，至此本設計的機械部分完成。

2 液壓缸負載打壓試驗臺架的機構與試驗指標

根據試驗臺架的設計目標和主要技術指標，即設計出最大承載能力為 50000KN 的液壓缸支架試驗臺形式，完成了試驗臺架主體結構設計，是一種用于液壓缸進行對頂負載打壓試驗的臺架裝置，根據試驗缸尺寸不同、行程不同、安裝方式不同，可以使用不同位置的等距孔或等距槽；可以滿足超高壓（25Mpa-45Mpa）的液壓缸進行負載打壓試驗的裝置。

液壓缸裝配試驗規范:

（1）準備設備、工量具、工裝、（2）按裝零件明細表（3）清理：檢查并最終清除所有機加工零件、標準件、塑料件、橡膠件飛邊、毛刺、銹跡。活塞桿應擦拭干凈并檢查是否有掉鉻、碰傷現象；清除時，零件不能有損傷，同時復查各零件外觀是否合格、（4）清潔：清洗前用壓縮空氣吹凈工作臺及待裝配零件各部位的異物，再用煤油或清洗劑清洗干凈。要注意缸筒內孔、缸頭各內孔、活塞、向套各油槽的細小異物；清理、清洗所有裝配工具、工裝、（5）要求：部裝前、自檢時嚴禁帶線手套、帆布手套；部裝中允許帶綿質薄手套。所有零部件必須先行自檢，然后通知檢驗進行檢查，合格后方可進行下一步；（6）組裝活塞：分別裝配活塞密封組件和支承環；活塞密封、組裝導向套：分別裝配軸用組合密封、Y 型密封圈、防塵圈和 O 型圈，組裝導向套必須采用干式裝配。（7）組裝活塞桿、（8）缸體組裝、（9）檢驗、（10）試驗驗收出廠。

液壓缸再修復后，試驗臺架主要的試驗項目指標：

（1）試運轉 ：調整試驗系統壓力，被試液壓缸在無負載工況下起動，并全行程往復運動數次，完全排除液壓缸內的空氣,油缸在無負載的情況下，自由運動，看是否有異常現象；

（2）全行程檢查：設置壓力小于額定壓力1/10， 流量小于缸體容積的0.5L/Min,油缸在運行過程中，通過裝在油缸活塞桿上的位移傳感器檢測其行程，

PLC 自動與設定的可調整的行程進行比較，若達到設定值判為合格，否則判為：不合格；

（3）啟動特性試驗 ：試運轉后，調整油壓，使無桿腔、雙活塞桿液壓缸、兩腔均可、壓力逐漸升高，至液壓缸起動時，記錄下的起動壓力即為最低起動壓力（伺服缸最低啟動壓力≤1.5bar,動摩擦力≤ 1bar）；

（4）內、外泄漏試驗 ：

內泄漏設定壓力等于額定壓力，流量小于缸體容積的1L/MIN；判定20MPa 下內泄量低于4ml/min 或2ml/min，油缸在內部有壓力情況下， 通過裝在油缸進出油口處的壓力表或壓力傳感器，觀察壓力表指針是否下降或通過壓力傳感器用 PLC 檢測其壓力并與某一設定壓力進行比較判斷，若檢測壓力始終保持某一壓力，判為合格，否則判為不合格，若不合格則進行內泄漏量的計算，以便操作人員掌握其泄漏情況，檢查原因，并測試活塞的密封效果；

外泄漏設定：對油缸進行沖壓試驗，試驗過程中油泵連續給油缸供油看油缸在壓力油作用下外部焊縫等部位是否有滲漏等現象，測試活塞桿處的密封效果；

（5）緩沖試驗 ：將被試液壓缸工作腔的緩沖閥全部松開，調節試驗壓力為公稱壓力的50%，以設計的最高速度運行，檢測當運行至緩沖閥完全關閉時的緩沖效果；

（6）耐壓試驗 ：實驗油缸內部充油，被測的油腔管線斷開，對頂缸加壓到額定值，將被試液壓缸處于行程極限位置,分別向工作腔輸入公稱壓力的 1.5 倍的油液 , 保壓2min 以上進行試驗。

液壓缸修復后，吊運至液壓缸負載打壓試驗臺架通過以上的試驗項目指標達標后方可進行驗收清理工作。

3 液壓缸負載打壓試驗臺架的機構優化及可行性分析

通過 Solidworks 軟件對試驗臺三維幾何建模，試驗模型設計可行性分析，要進行應力及位移分析，考慮極端情況下的最大載荷，最大壓力45Mpa，在Simulation 模塊分析前，需要做大量的模型設計及設定等工作，運用SolidWorks 對部分模型簡化，例試驗缸內螺栓及螺栓孔進行刪除替代，把試驗缸屬性設置為一個整體進行受力分析，另外一些不影響強度校核零件或刪除或替代，設置零件材料屬性：A 梁、B 梁為實際的退火不銹鋼ss、對頂缸、試驗缸為鍛造合金鋼、對頂缸固定底座、試驗缸固定底座、筋板為100mmQ235 鋼板焊接而成、立柱為普通碳鋼Q235、A 梁連接板、B 梁連接板為100mm 普通碳鋼，零件接觸屬性:A 梁、B 梁為焊接接觸、對頂缸、試驗缸為面接觸、對頂缸固定底座、試驗缸固定底座為面接觸，筋板、1#橫梁、2#橫梁、3#橫梁為面接觸、軸銷、軸套為機械接觸、A 梁連接板、B梁連接板為螺栓接觸；外部載荷：地面梁設定為固定與地面接觸不動、對頂缸、試驗缸所受最大力矩為45Mpa 靜載荷，方向為對頂缸、試驗缸縱向靜載荷；設定夾具固定，編輯網格屬性，網格密度：良好、網格參數：基于混合曲率的網格、單個尺寸：63.3679mm、公差：3.1684mm 自動過濾、高級雅可比點：29 點、實體的自動試驗：實驗體3、品質：高； 應用控制：3 分別為對頂缸、試驗缸接觸面，試驗缸整體和所有支撐梁。最終得到了網格劃分圖形，網絡類型：實體網格、節總數49710、單元總數量為：216934，以上得到靜力學受力分析所用的良好網格。

運用Simulation 靜力學分析模塊得到了試驗臺架在不同加載模式下的應力云圖。發現試驗臺在T 型擋板中間橫梁中心部位出現明顯的集中應力現象，最大為2.93e+008 應力，局部最大應力值超出材料的屈服極限235Mpa，由于出現的位置為試驗缸所對應的擋板T 型橫梁中間區域及擋板中心區域應力集中，發現T 型擋板的設計有所缺陷，所以加固擋板厚度由原來的50mm 增加到100mm，再次重新運用Simulation 靜力學分析模塊得到應力云圖，發現擋板中心局部應力為2.85e+008 應力，有所改善，但沒有到達材料屈服應力極限以下，繼續設計，由原先的2 塊中間橫梁，增加到3 塊橫梁，中心區域應力云圖得到2.33e+008 應力，滿足材料屈服應力，但是中間橫梁側面出現應力集中，最后優化更改中間橫梁位置，應力云圖得到較好的效果，最終修訂了T 型擋板的設計模型，增加了50mm 的厚度，加入中間1 塊橫梁，并根據計算結果調整了的位置，所有橫梁為滿焊，T 型擋板滿足材料屈服強度需要。

運用Simulation 模塊得到了試驗臺在不同加載模式下的應力和位移云圖。為了檢驗整體結構屈服應力及部分組件的應力極限，通過分析得到，試驗臺在頂梁偏心加載底座扭轉加載、頂梁偏心加載底座兩端集中加載和頂梁扭轉加載底座兩端集中加載的工況下，試驗臺架最大應力值均在材料的屈服極限內，從而滿足材料的強度要求。而在B 梁扭轉加載底座橫筋扭轉加載的工況下出現了應力集中現象，發生在活動梁扭轉處且最大應力值為350MPa，超過了材料的屈服極限。因此對試驗臺架B 梁卡槽結構進行了優化，對其底座設計中的內部筋板采取加厚 10mm的措施，結構優化之后B 梁的集中應力降為材料的屈服極限以內，從而滿足了強度要求，優化結構設計，滿足設計要求，增加了試驗臺的整體剛度。整體結構優化后的應力分析最大應力點為2.05e+008 應力和位移分析圖最大變形量為1.05mm，均滿足設計要求及行業標準，可以從圖形變化符合設計要求，達到了試驗臺的設計要求。不過試驗臺臺架設計中也存在一些不足，還需要在以后的實際運用中加以升級及優化。

4 結論

（1）通過以上論證，液壓缸打壓試驗臺架再優化過后，運用Simulation 模塊得到了試驗臺在不同加載模式下的應力和位移云圖。試驗臺架最大應力值均在材料的屈服極限內為205Mpa，滿足材料的屈服強度要求。試驗缸固定底座橫梁的位移由 5.04mm減小到 1.05mm，變形量可以忽略不計，并且增加了底座橫梁筋板的厚度，優化了局部設計，增加了試驗臺的整體剛度。

（2）該液壓缸打壓試驗臺架通過試驗可以根據試驗缸尺寸不同、行程不同、安裝方式不同，可以使用不同位置的等距孔或等距槽進行調整滿足于設計要求；

（3）通過模擬分析該液壓缸打壓試驗臺架可以滿足超高壓（25Mpa-45Mpa）的液壓缸進行負載打壓試驗分析。

（4）本文設計的液壓缸打壓試驗臺架通用性強，適用于各種結構的液壓缸的打壓負載試驗，操作簡單方便，實用性強。

（5）經過試驗證明其功能齊全、性能可靠、測試范圍廣，達到了預期目的。