某厂液压油缸结构与疲劳分析
摘要：液压缸易发生疲劳破坏问题，因此在设计阶段需要考虑到。本文根据第四强度理论对液压缸进行了理论分析，且与有限元静力分析对比，得出静力分析结果，设计合理。在此基础上运用疲劳分析软件MSC fatigue对其疲劳寿命进行了分析。
关键词：静力学；疲劳；抗拉强度
1前言
液压缸是液压机工作的执行元件，其作用是将液体压力转变为机械功，完成对工件的压力作用，是液压机的主要部件之一。液压缸的结构简单，设计相对容易，但如果不对其进行强度分析，就会造成制造困难，或在使用过程中引起液体泄漏及运行不平稳，甚至过早损坏。液压缸的损坏多发生在法兰与缸壁、缸壁与缸底过渡部位。因为这两处断面变化剧烈，加压时产生应力集中，而液压缸的负荷为加压/卸压的脉动负荷，工作循环次数多，因而加剧了疲劳破坏。少数缸体发生在中间缸壁段，这是由于内壁应力较大，当裂纹出现时会很快向外发展，形成纵向45°角斜向裂纹。在我们设计时，应重点考虑应力较大的缸壁及两处过渡部位，使设计的结构尺寸合理又不浪费[2]。2结构受力分析
2.1理论分析。该工作缸为一端开口一端封闭的厚壁高压容器(三维模型如图1所示)，当高压液体作用在柱塞上时，反作用力作用于缸底，通过缸壁传到法兰部分，靠法兰与上梁支承面上的支承反力来平衡。在与法兰支承面及缸底内表面有一定距离的中间段缸体，理论分析和应力测定表明，可按厚壁圆
筒进行应力分析。除有轴向应力外，还有由内压P引起的径向压应力(内壁最大，向外
逐渐减小，到外壁时为零)和切
向拉应力(内壁最大，向外逐
渐减小)，因此是三向应力状态。
圆筒段任意一点的三响应
力值分别为：
(1)
(2)
(3)
式中，-轴向应力，-径向应力，-切向应
某厂液压油缸结构与疲劳分析
王福光
(山东信息职业技术学院山东潍坊261000)
用工作。2017年制定了《平山县2017年秸秆综合利用实施方案》，进一步推动了全县农作物秸秆综合利用工作。县政府成立了农作物秸秆综合利用工作领导小组，由分管农业副县长任组长，县农牧局、发改局、财政局、环保局等单位负责人为成员。领导小组办公室设在县农牧局，负责牵头、指导和协调推进秸秆综合利用工作，县农牧局负责人兼办公室主任，县环保局负责人兼办公室副主任。县农牧局负责做好秸秆资源调查，组织实施秸秆机械化粉碎还田和捡拾打捆及基料化、饲料化等中小规模综合利用项目、秸秆收贮运体系建设等工作，推广秸秆综合利用技术，推进秸秆能源化利用；县环保局负责加强秸秆露天焚烧的执法检查；县发改局、财政局等单位负责根据自身工作职能，配合做好秸秆综合利用工作。各乡镇建立相应的工作机构，落实专人负责，密切协作，确保农作物秸秆综合利用工作顺利推进。县财政局保证为该项工作提供相应配套资金。
3.2加大政策扶持。对秸秆收集、粉碎、多元化利用等环节予以扶持，每年安排农作物秸秆利用专项资金，县农牧局、县财政局、县环保局制订扶持方案并负责实施。从实际出发引导农作物综合利用的方向和重点，有计划、有重点、有选择地组织实施相应的配套项目；对列入购机补贴范围的秸秆捡拾打捆以及秸秆还田、收集相关的机械，在中央补贴的基础上再给予一定比例的县级补贴。
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3.3创新运行机制。在全县以生态循环为导向，以提高秸秆还田利用率、有效遏制秸秆焚烧为目标，以推进秸秆综合利用体系创新、模式创新、技术创新和机制创新为重点，通过政策扶持引领和项目示范带动，积极推动玉米秸秆直接还田为主的秸秆综合利用，加快建立农作物秸秆收储运体系，构建政府引导、市场主导、企业参与、农民得利、多方共赢的秸秆综合利用长效机制。
3.4严格督查考核。加强对乡镇秸秆综合利用工作的督查考核，对在秸秆综合利用工作中指导、检查、监督不力，造成大面积秸秆露天焚烧的乡镇责任人，按规定给予严肃党纪政纪处分。将农业种植大户和合作社的秸秆综合利用工作与有关涉农补贴挂钩。
3.5强化宣传引导。充分利用广播、电视、报纸及网络等媒体，深入宣传农作物秸秆露天禁烧法律法规和综合利用相关知识，大力宣传秸秆露天禁烧和综合利用对促进资源节约、环境保护、农民增收等方面的重要意义，努力营造全社会积极参与保护生态环境的良好氛围，逐步提高秸秆露天禁烧和综合利用的意识和自觉性。
经验交流现代农村科技2018年第6期
图1液压缸缸实体模
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现代农村科技
2018年第6期
力，P -缸内液体压力，-缸的内半径，-缸的外半径，-所求应力点位置的半径[1]。
第四强度理论(形状改变比能理论)认为形状改变比能是引起材料流动破坏的主要原因，结果更符合实际。Q235作为一种普通碳素钢，试验资料表明，畸变能密度屈服准则与试验资料相当吻合，比第三强度理论更为符合试验结果。
采用Von Mises 强度准则，合力为：，最大合成当量应力出现在缸内壁，即当时，，计算得出最大合成当量应力为=121.6Mpa 屈服极限295Mpa 。安全系数n s =2.43。
2.2有限元静力学分析。油缸的材料ZG20SiMn 铸钢，弹性模量为202GPa ，泊松比是0.3，屈服极限295Mpa ，油缸最大内部压强25MPa ，采用标准国际单位制。本次分析依据油缸的实际情况对油缸进行了适当的简化，由于其对称性，在分析中只是对1/4油缸壁进行了分析。在施加约束时，分别约束其轴向、周向及径向自由度。本次分析由有限元前处理器partan 完成网格划分、属性定义、边界条件的施加，nastran 完成计算过程。有限元网格共计206839个节点，采用tet 四面体实体单元，单元数共计141563个，其计算结果如图2和图3：
图2缸体变形图
图3缸体应力图
由图2和图3可见，最大位移disp max 为0.379mm ，变形较小。等效应力Von Mise max 为338MPa ，位于法兰与油缸接触处，该处由于工艺倒角因素引起了应力集中，导致有限元应力结果大小超过了材料屈服极限295Mpa ，对此予以忽略(在制造工艺方面可以减轻此处应力集中现象)。本计算关注部分厚壁圆筒应力为90.2~113Mpa 。
2.3对比分析。本文有限元计算与理论计算结果相近，由此得出静力学分析结果正确。由静力学分析结果得知，油缸工作过程中材料处于弹性变性区；疲劳破坏时材料仍将处于弹性区。疲劳现象发生的原因在于金属在应力或应变的反复作用下发生了性能变化。从宏观上，人们仍然根据疲劳破坏发生时的应力循环次数，将疲劳破坏分为高周疲劳和低周疲劳。其中，高周疲劳受应力幅控制中，循环应力的水平较低，弹性变形居主导地位。根据不同的疲劳破坏形式，有着不同的疲劳分析方法。工程中常用的疲劳分析方法有3种：名义应力法、局部应力应变法和损伤容限法。其中名义应力法适用于高周疲劳。因而，笔者采用名
神界2龙裔攻略义应力法对液压缸进行疲劳分析[4]。3疲劳分析
3.1缸体材料参数和载荷设置。ZG20SiMn 铸钢，弹性模量202Gpa ，抗拉强度=500~600Mpa ，在MSC Fatigue 中创建以该数据为参数的SN 材料曲线，如图4所示；液压缸工作状况如表1所示；液压缸工作载荷时间历程曲线如图5所示。
图4材料SN 曲线图5载荷时间历程
3.2结果分析。从图6可以看出，工作缸最小寿命值为2.23105，这意味着节点193416在载荷循环达到22.3万次后发生疲劳破坏，位置位于法兰盘与液压缸接触位置(位于缸体倒角处)，符合缸体工作实际情况。对多数工程目标来说无限寿命意味着1106次循环，因此，该工作缸是有使用寿命限制的(具体情
况具体分析)。
图6寿命云图
图7危险节点及其寿命
4总结
根据分析结果，我们可以做出优化分析。例如，由图3液压缸应力图可以看出，应力大小由内壁到外壁急剧缩小，并不均匀，而是呈梯度变化，据此我们可以优化缸壁厚度，节省材料成本(当然也要考虑到热应力引起的变化)。本疲劳分析主要依据分析软件，存在众多不足之处。例如，材料SN 曲线是根据弹性模量E 与抗拉强度σb 估算得到，不是来自真实试验数据；载荷时间历程并没有完全依照液压缸实际应力发生变化等。参考文献
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初中学生留学表1液压缸工作状况
P max /Mpa V 提升/Mpa V drive /mm/s V work//m ·s -1V back /mm ·s -1
requency/time ·min -1S/mm.
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200
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