某千斤頂總成靜態(tài)特性計(jì)算分析

郭俊材，吳 畏，鄭 劍，杜國(guó)新，趙宗方，徐 宇

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院第一研究所，四川 成都 610213)

0 引 言

千斤頂作為一種輕便式的起重設(shè)備，主要用于在某一行程范圍內(nèi)頂開重物。它的使用范圍非常廣泛，不僅是各種機(jī)動(dòng)車輛的必備工具，在建筑、鐵路、汽車維修等部門也有著廣泛的應(yīng)用[1]。作為一種專門用于承受重物的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其在工作載荷作用下的靜態(tài)特性是設(shè)計(jì)人員首先關(guān)注的焦點(diǎn)，因此，在千斤頂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中非常有必要對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)特性分析。在過往的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，存在著大量的靜態(tài)特性分析案例。譚云波等人[2]以某桁架式門式起重機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果為該門機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)參考。盧正偉[3]利用有限元軟件對(duì)某滑動(dòng)軸承的軸承座的靜態(tài)特性進(jìn)行了分析，獲取了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖、位移云圖等靜態(tài)特性參數(shù)指標(biāo)。聶文武等人[4]則以某重型商用車的傳動(dòng)軸為分析對(duì)象，采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了分析，分析結(jié)果為該傳動(dòng)軸的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)參考。蒲凡等人[5]應(yīng)用Solid Works軟件對(duì)某立式加工中心立柱進(jìn)行了靜力學(xué)分析，獲取了結(jié)構(gòu)在典型工況下的靜態(tài)特性參數(shù)。李磊等人[6]利用有限元分析軟件ANSYS Work-bench對(duì)某車床主軸箱進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到了機(jī)床主軸箱模型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變大小。方學(xué)良等人[7]以某全承載式客車車身骨架為研究對(duì)象，對(duì)緊急制動(dòng)和右后輪懸空工況進(jìn)行了靜態(tài)特性。羅義等人[8]針對(duì)某直驅(qū)式數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)主軸，采用強(qiáng)度理論和有限元方法對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了計(jì)算與校核。本文以某液壓千斤頂總成為研究對(duì)象，利用有限元軟件，對(duì)其靜強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果為該千斤頂總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 空心傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)有限元模型

此研究分析的某千斤頂總成，主要用于支撐重物，其由斜撐桿、底板和三級(jí)柱塞泵構(gòu)成，按照千斤頂?shù)氖褂霉r，該總成主要承受沿豎直方向(軸向)的4×104N的壓力，同時(shí)承受大小為20 Pa的側(cè)向風(fēng)載荷。該總成結(jié)構(gòu)的材料為Q235鋼，特性如表1所列，強(qiáng)度校核時(shí)取安全系數(shù)1.3，則該千斤頂總成材料的許用應(yīng)力為175 MPa。

表1 Q235鋼材料特性參數(shù)

此項(xiàng)研究借助有限元軟件ANSYS，對(duì)該千斤頂總成進(jìn)行有限元建模，建模時(shí)在不影響計(jì)算精度的前提下，按照有限元建模的原則采用來簡(jiǎn)化處理，忽略了結(jié)構(gòu)組成的車輪、耳板、螺栓等小零部件，以及構(gòu)件上的鍵槽等，底板采用板殼單元建模，其他部件采用梁?jiǎn)卧?，分析時(shí)，考慮一級(jí)柱塞和二級(jí)柱塞全部伸出的工況，因?yàn)榇藭r(shí)柱塞滿行程時(shí)，為最危險(xiǎn)工況，總成有限元模型如圖1所示，整個(gè)模型被離散成8個(gè)單元，8個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 千斤頂總成有限元模型

2 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

有限元模型建立后，按照該千斤頂總成的工作狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行約束和加載。

具體的約束和載荷如下：

(1) 考慮到工作時(shí)，車輪與地面接觸為彈性接觸，忽略車輪的支撐作用，只考慮斜撐桿底部接觸地面，將三根斜撐桿底部全約束。

(2) 液壓缸頂部承受豎直向下的載荷及水平方向載荷。其中，豎直向下的載荷來自于被支撐的重物，其大小取決于重物的重力；水平載荷主要取決于被支撐的重物承受的風(fēng)載荷，本文假設(shè)重物承受的風(fēng)載荷為均布載荷，將風(fēng)載荷等效為作用于液壓缸頂部節(jié)點(diǎn)的水平集中力和力偶矩，在計(jì)算時(shí)，將力偶矩以力偶形式施加在液壓缸的節(jié)點(diǎn)上。

通過上述分析，該液壓千斤頂總成承受的載荷如表2所列。

表2 千斤頂總成承受的載荷 /N

通過計(jì)算，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，提取該液壓千斤頂總成整體結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力[9]。圖2給出了其應(yīng)力云圖，圖3為斜撐桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。

從圖2和圖3中可以看出，該液壓千斤頂總成承受的最大工作應(yīng)力為18.654 MPa，位于斜撐桿頂端區(qū)域(如圖3所示)，該最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。另外，從圖4的斜撐桿工作應(yīng)力云圖可以看出，該總成結(jié)構(gòu)的三根斜撐桿承受的工作應(yīng)力基本上都在17.146～18.654 MPa之間，均遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。從上述分析結(jié)果可以得出，該液壓千斤頂總成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足靜強(qiáng)度條件。

圖2 千斤頂總成結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖

圖3 斜撐桿結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力云圖

3 斜撐桿穩(wěn)定性分析結(jié)果

為了確保該千斤頂總成在工作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有必要對(duì)斜撐桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

在該液壓千斤頂總成工作時(shí)，斜撐桿主要承受壓力和彎曲的共同作用。在考慮重力的情況下，對(duì)斜撐桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，可將其看成受彎矩和壓力共同作用的梁，其穩(wěn)定性按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：N為作用在構(gòu)件上的軸向力；φ為穩(wěn)定性系數(shù)；可以從起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中[10]的相關(guān)表格中查找;A為構(gòu)件橫截面面積；Mx、Wx、My、Wy為構(gòu)件承受的彎矩及截面彎曲系數(shù)；[σ]為構(gòu)件材料的許用應(yīng)力。

將參數(shù)值代入式(1)得到斜撐桿的穩(wěn)定性分析結(jié)果如下：

(2)

從式(2)中計(jì)算的結(jié)果可以看出，該斜撐桿的穩(wěn)定性滿足要求。

4 結(jié) 論

基于有限元法，利用有限元軟件ANSYS對(duì)某千斤頂總成結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性進(jìn)行了分析，通過計(jì)算考察了結(jié)構(gòu)總成的靜強(qiáng)度及穩(wěn)定性特性。通過分析得出如下結(jié)論。

(1) 在工作載荷作用下，該千斤頂總成結(jié)構(gòu)承受的最大工作應(yīng)力值為18.654 MPa，該值小于材料的許用應(yīng)力，說明該結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度特性滿足使用要求。

(2) 該千斤頂總成結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下不會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻，斜撐桿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足使用要求。

以上結(jié)論對(duì)該千斤頂總成結(jié)構(gòu)的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，為其他同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析提供了參考，具有一定的工程研究意義。