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利用ANSYS有限元分析软件对液压集成块进行静力学分析

2020-02-26 282 上传者：管理员

摘要：文中对引起集成块漏油的原因进行了介绍，并着重对液压集成块热处理工艺不合理造成的漏油现象进行探讨和分析。本文以某企业950mm轧机层流冷却装置液压控制系统中翻转阀台的液压集成块为分析对象。将液压集成块的三维模型导入有限元分析软件ANSY中,设定接触关系、划分网格,并施加液压力。经过分析可知，当系统压力值大于22MPa时,此时需要通过调质处理增大集成块的屈服强度和集成块硬度,。这对在不同系统工作压力下,编制合理工艺流程,从而降低生产成本提供了参考依据。

关键词：
ANSYS
SECOMan
分析
液压集成块
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作为液压系统的核心元件,液压集成块具有结构紧凑、占据面积小、运用方便灵活等优点，在液压系统中得到广泛应用,1-。随着液压系统的复杂性和集成化程度提高，液压集成块设计难度也逐渐加大，其内部孔道十分密集,孔深和直径大小也各不相同,设计液压集成块过程十分繁琐且容易出错［2］。

利用液压集成块的专业设计软件SECOMan对液压集成块进行设计，可以在很大程度上降低设计人员的设计强度。文献［3］利用SECOMan对风机制动系统液压集成块进行了三维设计，很大程度上提高了集成块设计的准确性。文献［4］利用SECOMan对某铸造设备中的插装阀集成块进行设计，提高了设计效率，保证了设计的准确性。文献［5］利用SECOMan设计了液压集成块，并将设计图输出至UG,利用UG导出的G代码进行数控加工，实现了液压集成块设计加工流程一化。

同时为了提高液压集成块的可靠性，可以将液压集成块三维模型导入ANSYSWORKBENCH中,对集成块进行静力分析。文献［6］利用ANSYS对液压集成块进行静力分析，为集成块的可靠工作提供了依据，并且为后续的集成块优化设计提供了条件。

1、液压集成块漏油原因分析

渗油问题是我们在液压系统实际使用过程中不可避免的问题，为了解决这一问题，可以对其影响因素进行分析。造成液压集成块渗油的原因有很多，常见的有元件密封质量不合格,元件参数选型不合理,集成块表面加工粗糙度不合格以及集成块热处理工艺不合理等。文献［7-针对集成块油液渗漏现象进行了分析和计算,指出了不同工况需要使用不同的密封形式，可以经济且有效地解决漏油问题。

前三种引起集成块漏油的原因是可以通过简单的计算分析或质量检查就可以避免的，因此不做过多讨论,本文只针对最后一种类型的原因进行讨论与分析。液压集成块受到系统压力作用后,会产生相应的形变，当集成块所受最大应力大于集成块屈服强度,或者密封圈不能补偿集成块的最大形变量时,集成块发生漏油现象。

2、液压集成块建模

根据实际生产需求,研究液压集成块的漏油问题,分析其影响因素,本文以某企业950mm轧机层流冷却装置液压控制系统中翻转阀台的液压集成块为分析对象。

利用SECOMan对集成块进行设计,三维模型见图1所示。利用SIEMENSNX软件搭建翻转阀组三维模型，使各元器件的空间布置更加合理。翻转阀组三维模型见图2所示.原理见图3所示。

集成块的材料为35钢,最大外形尺寸为100mmx140mmx150mm。根据标准JB/T6397-2006中,35钢.热处理方式为正火或者正火+回火时，截面尺寸在(100~250)mm范围内,其屈服强度为245MPa,集成块硬度为(143~187)HB。调质时,其屈服强度为295MPa,集成块硬度为(189~229)HB。

图1液压集成块三维模型；图2翻转阀组三维模型；图3翻转阀组液压原理图

3、液压集成块静力学分析

将液压集成块的三维模型导入有限元分析软件ANSYSWORKBENCH中,设定接触关系、划分网格,并施加液压力。设定集成块底面为固定面。系统原理给定P口压力值为16MPa,假设油液流向为P-→A,B→T,可以得出此时的等效应力云图和等效应变云图,如.图4、图5所示。

图4等效应力云图；图5等效应变云图

当集成块热处理方式为正火时,屈服强度为R=245MPa,取安全系数为2,则其所受最大应力值F≤R.eH"=122.5MPa。而对于集成块最大应变来说,应小于液压阀上0形圈的最大补偿量。0形圈拉伸1%,对应截面直径减少0.5%。经查,0形圈最大允许拉伸量为6%,可以计算此时的截面直径。集成块上油孔直径为10.5mm,对应0形圈内径d=10.6mm,线径d=1.8mm。当0形圈最大拉伸量为6%时,可计算得知线径变为d2=1.748mm,线径变化量为0.052mm。

给定P口、A口压力值为16MPa时,由图4、图5可得到集成块的最大应力为85.641MPa,小于122.5MPa,满足设计要求。同时与阀接触表面的最大应变为1.5976x10-4mm/mm,转换成集成块变化量为8.627x10-3mm,小于线径变化量0.052mm,也满足设计要求。

增大P口和A口压力给定值,观察集成块最大应力和最大应变量。当压力设定值为22MPa时,等效应力云图和等效应变云图见图6、图7所示。由图6、图7可知，集成块此时所受的最大应力为117.84MPa,小于122.5MPa,满足设计要求。同时与阀接触表面的最大应变为2.2186x10-4mm/'mm,转换成集成块变化量为1.198x10-2mm,小于线径变化量0.052mm,也满足设计要求。

当继续增大P口和A口压力给定值时,集成块所受最大应力值超过122.5MPa。此时需要进行调质处理,增大集成块的屈服强度和集成块硬度,避免产生漏油现象。

4、结论

为分析集成块热处理工艺方法对漏油的影响，本文对某企业950mm轧机层流冷却装置液压控制系统中翻转阀台的液压集成块进行三维建模,并将集成块三维模型导人ANSYSWORKBENCH中,对集成块进行静力学分析,以此作为集成块热处理方式的参考依据。

仿真结果表明当系统压力值大于22MPa时,需要对集成块进行调制处理,来增大集成块的屈服强度和硬度,提高集成块的可靠性。实际生产过程中，还可依据此仿真结果,在不同系统工作压力下,编制合理工艺流程,从而降低生产成本。

参考文献：

[1]佘匡华,廖秋慧,陶振刚，等.基于SolidWorks及ANSYS对集成块优化设计[J].轻工机械,2014,(2).

[2]李光,牛文铁,张大卫，等.液压集成块设计方法的研究进展[J].机械设计,2012,(4).

[3]杨京兰.Secoman在风机制动液压系统集成块设计中的应用[J].液压气动与密封,2014,(12).

[4]邵珠振，张玉,苏本福,等.基于SecoMAN的液压插装阀集成块的设计[J].装备,2014,(2).

[5]何刘宇,刘洪波,李运华,等.基于SECOman的液压阀块三维设计与加工方法研究[J].液压气动与密封,2015,(9).

[6]吉慧丹,林义忠,张忠南,等.液压集成块的有限元结构分析[J].机床与液压,2010,(10).

[7]宋素琴,赵晓培.叠加式集成块密封方式分析及改进[J].液压气动与密封,2017,(6).