某型裝載機(jī)液壓油箱開裂分析及改進(jìn)

朱長(zhǎng)壽，韋麗麗，農(nóng)棉庚，向上升

（1.廣西中源機(jī)械有限公司，廣西 柳州 545007；2.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

液壓油箱是裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的主要組成部分，主要有貯存液壓油、析出油液中氣體、沉淀雜質(zhì)等作用[1]。如果油箱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋液壓油泄漏，不僅造成液壓油浪費(fèi)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致液壓泵吸空，液壓系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，液壓元件使用壽命降低。因此，合理設(shè)計(jì)液壓油箱結(jié)構(gòu)，確保其結(jié)構(gòu)可靠是十分必要的。

某型裝載機(jī)上市后陸續(xù)出現(xiàn)開裂漏油問題，我們對(duì)其液壓油箱進(jìn)行拆解分析和仿真分析，找出了油箱開裂的原因，并針對(duì)原因提出改進(jìn)方案。

1 拆解分析

某型裝載機(jī)液壓油箱外形結(jié)構(gòu)（圖1），主要由箱體、空氣濾清器、加油蓋等組成。其中，箱體結(jié)構(gòu)（圖2）尺寸為520 mm×550 mm×930 mm，由8 mm厚的L型安裝板、4 mm厚的非對(duì)稱U型圍板以及4 mm厚的頂板構(gòu)成。所有故障均發(fā)生在油箱圍板右側(cè)平面與安裝板相連的主焊縫處，整機(jī)工作時(shí)間集中在1200 h附近，外反饋情況如圖3所示。對(duì)開裂部位進(jìn)行局部裁切，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)疲勞源出現(xiàn)在圍板焊趾部位，逐步擴(kuò)展，最后疲勞破壞出現(xiàn)開裂。

圖1 液壓油箱外形結(jié)構(gòu)

圖2 箱體結(jié)構(gòu)

圖3 液壓油箱開裂外反饋照片

圖4 故障件拆解照片

2 仿真分析

2.1 有限元模型與計(jì)算條件

模型化液壓油箱的有限元模型，如圖5所示。以該油箱作為研究對(duì)象，有限元模型與原液壓油箱尺寸保持一致。

圖5 有限元模型

計(jì)算條件根據(jù)液壓油箱的固定形式和實(shí)際受力情況進(jìn)行加載。該液壓油箱通過安裝板的6個(gè)安裝孔與整機(jī)車架連接固定，整機(jī)作業(yè)過程伴隨著工作裝置的油缸活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，液壓油箱內(nèi)部的液壓油會(huì)處于吸回油狀態(tài)，液面會(huì)上下變化，致使油箱內(nèi)部的氣壓交替變化，實(shí)際測(cè)試獲得氣壓最大為35 kPa。因此，設(shè)定以下的約束和載荷，如圖6所示：

圖6 約束與載荷

（1）約束液壓油箱安裝板6個(gè)安裝孔的所有自由度；

（2）油箱內(nèi)部空氣壓力比大氣壓大35 kPa；

（3）將油液的質(zhì)量等效為質(zhì)量點(diǎn)載荷，并將油液對(duì)液壓油箱內(nèi)部壓力等效為與油液深度成正比的梯度壓力[2]。

2.2 仿真結(jié)果

利用ANSYS Workbench線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)有限元模型進(jìn)行分析[3]，獲得液壓油箱的變形云圖，如圖7所示；應(yīng)力分布云圖如圖8所示。經(jīng)過分析云圖可知，液壓油箱的最大形變出現(xiàn)在圍板右側(cè)平面，最大應(yīng)力出現(xiàn)在圍板右側(cè)主焊縫處，與故障部位吻合。

圖7 改進(jìn)前液壓油箱變形云圖

圖8 改進(jìn)前液壓油箱應(yīng)力分布云圖

對(duì)圍板右側(cè)焊縫處的應(yīng)力做切片處理，如圖9所示，其最大應(yīng)力值達(dá)到242 MPa。

圖9 改進(jìn)前圍板右側(cè)焊縫處應(yīng)力分布云圖

通過以上分析知道，液壓油箱在整機(jī)作業(yè)過程其內(nèi)部氣壓交替變化，導(dǎo)致圍板右側(cè)平面交替出現(xiàn)變形，在圍板右側(cè)焊縫附近形成最大可達(dá)242 MPa的應(yīng)力，該應(yīng)力值超過了板材Q235B的屈服強(qiáng)度，板材在經(jīng)受一段時(shí)間的疲勞載荷后出現(xiàn)破壞。因此，圍板右側(cè)應(yīng)力過大是導(dǎo)致該液壓油箱開裂的根本原因。

3 改進(jìn)方案及驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)方案

從以上分析知道，液壓油箱圍板右側(cè)應(yīng)力過大是造成開裂問題的主要原因。以降低開裂部位的應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，制定改進(jìn)圍板結(jié)構(gòu)的方案：圍板右側(cè)平面取消沖壓凹槽，增加2條折彎筋，如圖10和圖11所示。

圖10 圍板結(jié)構(gòu)

圖11 改進(jìn)后圍板右側(cè)邊緣的局部放大

改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對(duì)比：改進(jìn)前圍板右側(cè)平面中部是沖壓凹槽結(jié)構(gòu)，對(duì)于箱型結(jié)構(gòu)增加沖壓凹槽通常作為加強(qiáng)平面板材剛度的一種手段。由于該液壓油箱的圍板結(jié)構(gòu)左右不對(duì)稱，圍板右側(cè)平面的面積達(dá)到0.51 m2，在承受內(nèi)部氣壓后，圍板右側(cè)平面中部即使有沖壓凹槽結(jié)構(gòu)支撐變形依然很大，最終焊縫處的應(yīng)力很大。改進(jìn)后的圍板取消沖壓凹槽，增加兩道折彎筋，圍板右側(cè)平面的面積減小19.6%，變?yōu)?.41 m2，在承受內(nèi)部氣壓后，變形減少，焊縫處的應(yīng)力下降，并且因?yàn)檎蹚澖顒偠却竽軌驕p弱圍板右側(cè)平面中部變形傳遞的拉伸。

3.2 方案驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后的液壓油箱進(jìn)行仿真分析，其應(yīng)力分布如圖12所示，圍板右側(cè)焊縫處的應(yīng)力分布如圖13所示，最大主應(yīng)力結(jié)果見表1。圖12結(jié)果顯示，改進(jìn)后的液壓油箱應(yīng)力分布明顯改善，分布均勻，無應(yīng)力集中。從圖13和表1結(jié)果可以看出，開裂部位的最大主應(yīng)力由改進(jìn)前的242.0 MPa下降為199.5 MPa，下降17.6%，小于板材Q235B的屈服強(qiáng)度，滿足使用要求。說明該液壓油箱的改進(jìn)方案有效。

圖12 改進(jìn)后液壓油箱應(yīng)力分布云圖

圖13 改進(jìn)后圍板右側(cè)焊縫處應(yīng)力分布云圖

表1 改進(jìn)前后有限元分析結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語

通過對(duì)液壓油箱的拆解分析和仿真分析，找出了油箱開裂的原因，并針對(duì)原因提出改進(jìn)方案。有限元分析結(jié)果表明，改進(jìn)后液壓油箱最大應(yīng)力下降17.6%。經(jīng)過對(duì)100臺(tái)裝有改進(jìn)后液壓油箱的某型裝載機(jī)進(jìn)行約1500 h的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)查，未發(fā)生油箱開裂問題，說明改進(jìn)方案取得了較好的改進(jìn)效果。