自卸汽車(chē)舉升液壓缸力學(xué)分析及有限元仿真

姚立澤，李寧，李卓，張新敏

（1.102618 北京市 北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院；2.063000 河北省 唐山市 天地科技有限公司唐山分公司）

0 引言

自卸汽車(chē)是利用車(chē)載動(dòng)力驅(qū)動(dòng)液壓舉升機(jī)構(gòu)，將車(chē)廂與地面角度逐漸增大，并依靠車(chē)廂本身重力回位的車(chē)輛。自卸汽車(chē)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，涉足工業(yè)、礦業(yè)、電力、水利、建筑等多種行業(yè)領(lǐng)域，其主要用途為載運(yùn)貨物并能自動(dòng)卸貨，省去人工卸貨環(huán)節(jié)，減少人力投入[1]。

自卸汽車(chē)按貨物傾卸方向分類(lèi)，可分為后傾式、側(cè)傾式、三面傾卸式、底板翻式4 種類(lèi)型，其中后傾式和側(cè)翻式最常見(jiàn)，如圖1 所示[2]。無(wú)論是哪種類(lèi)型的自卸汽車(chē)，都靠液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，舉升液壓缸是液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，液壓選取與設(shè)計(jì)將影響舉升汽車(chē)的使用性能、安全性能及工作效率。本文以自卸汽車(chē)舉升液壓缸為例，提出一種傳統(tǒng)力學(xué)與仿真相結(jié)合的分析方法，提出優(yōu)化改良建議，為各類(lèi)汽車(chē)舉升液壓缸設(shè)計(jì)、選型提供參考。

圖1 自卸汽車(chē)常見(jiàn)類(lèi)型Fig.1 Common types of dump truck

1 液壓缸主要參數(shù)

自卸汽車(chē)舉升液壓缸關(guān)鍵部件有缸體、活塞、活塞桿等，主要參數(shù)[3-4]具體見(jiàn)表1。

表1 舉升液壓缸主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of lifting hydraulic cylinder

2 傳統(tǒng)力學(xué)分析

缸體和活塞桿是液壓缸的主要部件，其強(qiáng)度影響車(chē)輛舉升安全、液壓系統(tǒng)的使用壽命，因此要分別對(duì)缸體和活塞桿進(jìn)行校核,具體方法借鑒丁紹南等對(duì)立柱、活塞桿等部件的校核計(jì)算方法[5]。

2.1 穩(wěn)定性

舉升液壓缸完全伸長(zhǎng)或僅伸出一半時(shí)均應(yīng)按最不利工況考慮，前者因?yàn)橐簤焊走^(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致穩(wěn)定性不利，后者是綜合判斷液壓缸長(zhǎng)度與載重而得出的穩(wěn)定性不利工況。

活塞桿和油缸的慣性矩分別為

單伸縮油缸的穩(wěn)定性條件為

式中：PK1——油缸穩(wěn)定性極限力；Pm——油缸最大工作阻力。

穩(wěn)定性條件的適用范圍計(jì)算：

式中：l1——活塞桿頭部到最大撓度處距離。J1和J2已求出，則根據(jù)，查極限力計(jì)算圖可得。因此，根據(jù)穩(wěn)定性條件及適用范圍，可以確定自卸汽車(chē)舉升液壓缸穩(wěn)定性狀況[6]。

2.2 活塞桿強(qiáng)度校核

在舉升液壓缸承受最大壓力時(shí)，油缸的撓度可按式（5）計(jì)算：

式中：δ1——舉升液壓缸的撓度；Δ1——活塞桿與導(dǎo)向套處的最大配合間隙；Δ2——活塞與缸體處的最大配合間隙；l——液壓缸完全伸出總長(zhǎng)；G——立柱總重。

無(wú)加長(zhǎng)桿活塞桿的合成應(yīng)力：

式中：A——活塞桿截面積；W——活塞桿斷面模數(shù)。

2.3 缸體強(qiáng)度校核

設(shè)壁厚為δs，3.2的缸筒為中等壁厚鋼筒，強(qiáng)度條件如下：

缸體與缸底焊縫強(qiáng)度按式（10）計(jì)算：

安全系數(shù)計(jì)算：

將安全系數(shù)與手冊(cè)要求的合理安全系數(shù)對(duì)比，可以確定自卸汽車(chē)舉升液壓缸油缸部分強(qiáng)度狀況。

3 基于有限元軟件的仿真分析

傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法是保證初步設(shè)計(jì)可靠的重要理論依據(jù)，然而存在計(jì)算過(guò)程復(fù)雜繁瑣、難以直觀呈現(xiàn)的弊端，借助CAD 虛擬樣機(jī)和CAE仿真分析優(yōu)化不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)約勞動(dòng)成本，還能使分析結(jié)果直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，精準(zhǔn)確定不利點(diǎn)[8]。

3.1 模型的建立與網(wǎng)格的劃分

仿真分析時(shí)，一些學(xué)者采用整體建模裝配分析方法，對(duì)缸體、活塞、活塞桿同時(shí)分析，其弊端是容易忽略內(nèi)部復(fù)雜受力，網(wǎng)格劃分不利將影響分析結(jié)果。本文將在傳統(tǒng)的力學(xué)分析基礎(chǔ)上，使用有限元軟件對(duì)最不利工況的單個(gè)元件進(jìn)行缸體仿真分析，液壓缸缸體部件不僅承受垂直載荷，其內(nèi)壁還承受液壓力的作用，一旦載重不均勻，杠桿力還將增大液壓缸受力，其受力復(fù)雜程度要超過(guò)活塞桿，單個(gè)元件仿真分析不僅可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)力學(xué)分析的不足，還能為車(chē)輛優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[9]。

3.2 參數(shù)設(shè)置

本文分析缸體采用SOLID 185 單元，彈性模量設(shè)置為2.1×105MPa，泊松比設(shè)置為0.3。用自由劃分網(wǎng)格的方法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格精度定義為6。劃分的網(wǎng)格共有6 641 個(gè)單元，2 145 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.3 施加載荷

自卸汽車(chē)舉升液壓缸在承受軸向荷載時(shí)，活塞桿的力完全通過(guò)油液傳遞給缸體，因此可以看作缸體部分承受來(lái)自油液的壓強(qiáng)，模擬流體施力特點(diǎn)把液壓缸缸體部分底端完全約束，將汽車(chē)載重量考慮系數(shù)后轉(zhuǎn)化為對(duì)缸臂內(nèi)表面施加壓強(qiáng)，對(duì)缸體內(nèi)壁底面和側(cè)面分別施加16 MPa均勻載荷[10]。

3.4 求解結(jié)果分析

最大應(yīng)力出現(xiàn)在缸體的上部?jī)?nèi)側(cè)，應(yīng)力大小為44 MPa，在考慮安全系數(shù)的前提下，應(yīng)力值符合材料的許用應(yīng)力要求，如圖2 所示。

圖2 缸體應(yīng)力分布等值線圖Fig.2 Contour map of cylinder stress distribution

3.5 基于仿真分析的液壓缸改良設(shè)計(jì)思路

讀取缸體應(yīng)變等值線圖，如圖3 所示。可以判斷從缸體底部到頂部，應(yīng)變量呈線性上升趨勢(shì)。

圖3 缸體應(yīng)變分布云圖Fig.3 Strain distribution nephogram of cylinder block

再結(jié)合應(yīng)力等值線圖分析，最不利點(diǎn)的部位恰恰出現(xiàn)在應(yīng)變最大位置處?？蓪⒁簤焊赘左w設(shè)計(jì)成倒錐形，從液壓缸缸體底部到頂部使壁厚呈線性增大，突破標(biāo)準(zhǔn)化框架的液壓缸設(shè)計(jì)將更能滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性的要求，在同等強(qiáng)度、穩(wěn)定性的要求下將更節(jié)省材料，便于輕量化改良設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

舉升液壓缸是自卸汽車(chē)重要部件，通過(guò)傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算與有限元仿真軟件相結(jié)合的分析方法可以提升液壓缸選型設(shè)計(jì)、改良設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。傳統(tǒng)力學(xué)分析是機(jī)械設(shè)計(jì)與仿真分析的基礎(chǔ)，有限元仿真分析是傳統(tǒng)力學(xué)分析的補(bǔ)充與延伸，通過(guò)應(yīng)力、應(yīng)變等值線圖找到最大應(yīng)力點(diǎn)，得出應(yīng)變分布規(guī)律，促進(jìn)改良設(shè)計(jì)思路的提出，將更能促進(jìn)產(chǎn)品輕量化發(fā)展，延長(zhǎng)部件的使用壽命，從而提升自卸汽車(chē)工作安全性、可靠性。