液壓缸負(fù)載打壓通用試驗臺架的設(shè)計優(yōu)化分析

沈樹林，趙 兵，何東升，吳建雄，田 鵬

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的、做直線往復(fù)運動或擺動運動的液壓執(zhí)行元件。用它來實現(xiàn)往復(fù)運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)，液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。隨著液壓技術(shù)的高速發(fā)展，它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、沒有污染等優(yōu)點。在各種機械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。伴隨的發(fā)生故障的可能性也隨之增多，液壓缸維修完成時，需要對液壓缸進行打壓試驗及性能指標(biāo)參數(shù)進行校核，各項指標(biāo)符合行業(yè)技術(shù)要求，滿足生產(chǎn)設(shè)備工藝要求，滿足甲方要求。我公司目前的打壓試驗臺架最大壓力為25Mpa，無法滿足25Mpa 以上的液壓缸打壓試驗，由于生產(chǎn)線上不同壓力液壓缸尺寸型號量程距離也都不統(tǒng)一，因此需要一種滿足于各種尺寸、壓力的液壓缸進行對頂負(fù)載打壓試驗的臺架裝置，進行液壓缸打壓試驗及各數(shù)據(jù)參數(shù)性能比對，從而減輕人力及成本費用的浪費，本論文的目的是針對現(xiàn)有打壓試驗臺架通用性不足的問題，設(shè)計一種用于液壓缸進行對頂負(fù)載打壓試驗的臺架裝置，屬于液壓技術(shù)領(lǐng)域。

1 液壓缸負(fù)載打壓試驗臺架的設(shè)計

首先給出了液壓缸打壓試驗臺架的設(shè)計目標(biāo)和主要完成技術(shù)指標(biāo)，可以用于不同尺寸、不同行程、不同安裝形式、超高壓（25Mpa-45Mpa）的液壓缸進行負(fù)載打壓試驗。即設(shè)計最大承載能力為50000KN 的四梁可調(diào)，液壓缸打壓試驗臺架的形式，通過SolidWorks 完成了試驗臺主體結(jié)構(gòu)設(shè)計：上下梁設(shè)計、立柱設(shè)計和梯形底座等設(shè)計，并完成了試驗臺虛擬裝配，如調(diào)高、定位、孔軸和調(diào)架等位置、強度校核等，并利用Simulation模塊進行工況模擬，不斷調(diào)整，優(yōu)化整體鋼架及部分零件的強度。最總滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)及對液壓缸打壓試驗臺架的技術(shù)要求及行業(yè)要求。

下面對液壓缸打壓試驗臺架的組成部件進行詳細介紹：

A 梁、B 梁、對頂缸、試驗缸、對頂缸固定底座、試驗缸固定底座、筋板、1#橫梁、2#橫梁、3#橫梁、軸銷、軸套、立柱、A梁連接板、B 梁連接板等主要部件組成。

用于液壓缸進行對頂負(fù)載打壓試驗的臺架裝置：包括A 梁、B 梁、對頂缸、試驗缸、對頂缸承力套件、試驗缸（耳軸、底座）承力套件、立柱、A 梁連接板、B 梁連接板。A 梁與A 梁連接板通過螺栓連接為框架整體；B 梁與B 梁連接板通過螺栓連接為框架整體，A 梁和B 梁為焊接件；A 梁的兩側(cè)內(nèi)立面對稱設(shè)置若干相同尺寸的等距槽；B 梁兩側(cè)內(nèi)立面對稱設(shè)置若干相同直徑的等距孔和相同尺寸的等距槽,兩側(cè)上平面設(shè)置若干相同直徑的等距螺栓孔；對頂缸承力套件和試驗缸（耳軸、底座）承力套件通過兩側(cè)對稱的等距槽或等距孔安裝固定；對頂缸分別與對頂缸承力套件和試驗缸活塞桿連接；試驗缸分別與試驗缸（耳軸、底座）承力套件和對頂缸活塞桿連接；試驗缸隨著對頂缸運動而運動。

如上所述，其特征在于A 梁的內(nèi)立面和B 梁的內(nèi)立面槽均為長方形，上下對應(yīng)的槽相重合，對頂缸中心線與試驗缸中心線重合，對頂缸中心線和等距孔中心線高度相同，特征在于對頂缸活塞桿直徑小于試驗缸活塞桿直徑。對頂缸承力套件包括對頂缸固定底座、筋板、1#橫梁、2#橫梁和3#橫梁，對頂缸固定底座，通過兩側(cè)內(nèi)立面對稱的等距槽安裝固定，對頂缸承力套件之間通過焊接方式進行連接固定。

當(dāng)試驗缸為尾部耳環(huán)型安裝方式時，采用試驗缸耳軸承力套件，試驗缸耳軸承力套件包括軸銷和軸套，軸銷中間部位穿過耳軸，軸銷兩端插入軸套內(nèi)，軸銷和軸套插入B 梁兩側(cè)立面對稱等距孔內(nèi)；當(dāng)試驗缸為徑向底座型安裝方式時，采用試驗缸底座承力套件，試驗缸底座承力套件包括試驗缸固定底座、筋板、1#橫梁、2#橫梁和4#橫梁，試驗缸固定底座通過兩側(cè)內(nèi)立面對稱的等距槽安裝固定，試驗缸底座承力套件之間通過焊接方式進行連接固定。A 梁的內(nèi)立面和B 梁的內(nèi)立面槽均為長方體，上下對應(yīng)的槽相重合。對頂缸中心線與試驗缸中心線重合，對頂缸中心線和等距孔中心線高度相同。對頂缸活塞桿直徑小于試驗缸活塞桿直徑。當(dāng)試驗缸為徑向底座型安裝方式時，采用試驗缸底座承力套件，試驗缸通過螺栓連接固定到試驗缸承力套件上；對頂缸的活塞桿與試驗缸的活塞桿相連接，當(dāng)對頂缸運動時，試驗缸也會隨之運動，對頂缸活塞橫截面積比試驗缸的大，相同的力，試驗缸產(chǎn)生的壓強比對頂缸大，以滿足高壓負(fù)載的需要。

進一步說明液壓缸負(fù)載打壓試驗臺架的設(shè)計，A 梁1、B 梁2、對頂缸3、試驗缸4、對頂缸承力套件、試驗缸（耳軸、底座）承力套件、立柱14、A 梁連接板15、B 梁連接板16。A 梁1 和B 梁2 為焊接件， A 梁1 與A 梁連接板15 通過螺栓連接為框架整體；B 梁2 與B 梁連接板16 通過螺栓連接為框架整體；A 梁1 的兩側(cè)內(nèi)立面對稱設(shè)置若干相同尺寸的等距槽，槽為長方體；B 梁2 兩側(cè)內(nèi)立面對稱設(shè)置若干相同直徑的等距孔和相同尺寸的等距槽,兩側(cè)上平面設(shè)置若干相同直徑的等距螺栓孔；對頂缸承力套件是由對頂缸固定底座5、筋板7、1#橫梁8、2#橫梁9 和3#橫梁10 焊接而成，試驗缸底座承力套件；試驗缸底座承力套件是由試驗缸固定底座6、筋板7、1#橫梁8、2#橫梁9 和4#橫梁11 焊接而成；對頂缸承力套件和試驗缸底座承力套件通過等距槽進行安裝固定，對頂缸通過螺栓連接固定到對頂缸承力套件上；當(dāng)試驗缸為尾部耳環(huán)型安裝方式時，采用試驗缸耳軸承力套件，軸銷12 中間部位穿過耳軸，軸銷12 兩端插入軸套13 內(nèi)，軸銷12和軸套13 插入B 梁2 兩側(cè)立面對稱等距孔內(nèi)進行固定；當(dāng)試驗缸為徑向底座型安裝方式時，采用試驗缸底座承力套件，試驗缸通過螺栓連接固定到試驗缸承力套件上；對頂缸的活塞桿與試驗缸的活塞桿相連接，當(dāng)對頂缸運動時，試驗缸也會隨之運動，對頂缸活塞橫截面積比試驗缸的大，相同的力，試驗缸產(chǎn)生的壓強比對頂缸大，以滿足高壓負(fù)載的需要，以上考慮了所有的安裝方式及相應(yīng)的對策，解決了實際的安裝問題，并對現(xiàn)場生產(chǎn)及安裝人員起到了技術(shù)指導(dǎo)作用，綜上液壓缸打壓試驗臺架的所有的零部件設(shè)計完成，并相應(yīng)的組合完成，并對關(guān)鍵位置的高度和孔的強度進行了強度校核，至此本設(shè)計的機械部分完成。

2 液壓缸負(fù)載打壓試驗臺架的機構(gòu)與試驗指標(biāo)

根據(jù)試驗臺架的設(shè)計目標(biāo)和主要技術(shù)指標(biāo)，即設(shè)計出最大承載能力為 50000KN 的液壓缸支架試驗臺形式，完成了試驗臺架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，是一種用于液壓缸進行對頂負(fù)載打壓試驗的臺架裝置，根據(jù)試驗缸尺寸不同、行程不同、安裝方式不同，可以使用不同位置的等距孔或等距槽；可以滿足超高壓（25Mpa-45Mpa）的液壓缸進行負(fù)載打壓試驗的裝置。

液壓缸裝配試驗規(guī)范:

（1）準(zhǔn)備設(shè)備、工量具、工裝、（2）按裝零件明細表（3）清理：檢查并最終清除所有機加工零件、標(biāo)準(zhǔn)件、塑料件、橡膠件飛邊、毛刺、銹跡?；钊麠U應(yīng)擦拭干凈并檢查是否有掉鉻、碰傷現(xiàn)象；清除時，零件不能有損傷，同時復(fù)查各零件外觀是否合格、（4）清潔：清洗前用壓縮空氣吹凈工作臺及待裝配零件各部位的異物，再用煤油或清洗劑清洗干凈。要注意缸筒內(nèi)孔、缸頭各內(nèi)孔、活塞、向套各油槽的細小異物；清理、清洗所有裝配工具、工裝、（5）要求：部裝前、自檢時嚴(yán)禁帶線手套、帆布手套；部裝中允許帶綿質(zhì)薄手套。所有零部件必須先行自檢，然后通知檢驗進行檢查，合格后方可進行下一步；（6）組裝活塞：分別裝配活塞密封組件和支承環(huán)；活塞密封、組裝導(dǎo)向套：分別裝配軸用組合密封、Y 型密封圈、防塵圈和 O 型圈，組裝導(dǎo)向套必須采用干式裝配。（7）組裝活塞桿、（8）缸體組裝、（9）檢驗、（10）試驗驗收出廠。

液壓缸再修復(fù)后，試驗臺架主要的試驗項目指標(biāo)：

（1）試運轉(zhuǎn) ：調(diào)整試驗系統(tǒng)壓力，被試液壓缸在無負(fù)載工況下起動，并全行程往復(fù)運動數(shù)次，完全排除液壓缸內(nèi)的空氣,油缸在無負(fù)載的情況下，自由運動，看是否有異常現(xiàn)象；

（2）全行程檢查：設(shè)置壓力小于額定壓力1/10， 流量小于缸體容積的0.5L/Min,油缸在運行過程中，通過裝在油缸活塞桿上的位移傳感器檢測其行程，

PLC 自動與設(shè)定的可調(diào)整的行程進行比較，若達到設(shè)定值判為合格，否則判為：不合格；

（3）啟動特性試驗 ：試運轉(zhuǎn)后，調(diào)整油壓，使無桿腔、雙活塞桿液壓缸、兩腔均可、壓力逐漸升高，至液壓缸起動時，記錄下的起動壓力即為最低起動壓力（伺服缸最低啟動壓力≤1.5bar,動摩擦力≤ 1bar）；

（4）內(nèi)、外泄漏試驗 ：

內(nèi)泄漏設(shè)定壓力等于額定壓力，流量小于缸體容積的1L/MIN；判定20MPa 下內(nèi)泄量低于4ml/min 或2ml/min，油缸在內(nèi)部有壓力情況下， 通過裝在油缸進出油口處的壓力表或壓力傳感器，觀察壓力表指針是否下降或通過壓力傳感器用 PLC 檢測其壓力并與某一設(shè)定壓力進行比較判斷，若檢測壓力始終保持某一壓力，判為合格，否則判為不合格，若不合格則進行內(nèi)泄漏量的計算，以便操作人員掌握其泄漏情況，檢查原因，并測試活塞的密封效果；

外泄漏設(shè)定：對油缸進行沖壓試驗，試驗過程中油泵連續(xù)給油缸供油看油缸在壓力油作用下外部焊縫等部位是否有滲漏等現(xiàn)象，測試活塞桿處的密封效果；

（5）緩沖試驗 ：將被試液壓缸工作腔的緩沖閥全部松開，調(diào)節(jié)試驗壓力為公稱壓力的50%，以設(shè)計的最高速度運行，檢測當(dāng)運行至緩沖閥完全關(guān)閉時的緩沖效果；

（6）耐壓試驗 ：實驗油缸內(nèi)部充油，被測的油腔管線斷開，對頂缸加壓到額定值，將被試液壓缸處于行程極限位置,分別向工作腔輸入公稱壓力的 1.5 倍的油液 , 保壓2min 以上進行試驗。

液壓缸修復(fù)后，吊運至液壓缸負(fù)載打壓試驗臺架通過以上的試驗項目指標(biāo)達標(biāo)后方可進行驗收清理工作。

3 液壓缸負(fù)載打壓試驗臺架的機構(gòu)優(yōu)化及可行性分析

通過 Solidworks 軟件對試驗臺三維幾何建模，試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計可行性分析，要進行應(yīng)力及位移分析，考慮極端情況下的最大載荷，最大壓力45Mpa，在Simulation 模塊分析前，需要做大量的模型設(shè)計及設(shè)定等工作，運用SolidWorks 對部分模型簡化，例試驗缸內(nèi)螺栓及螺栓孔進行刪除替代，把試驗缸屬性設(shè)置為一個整體進行受力分析，另外一些不影響強度校核零件或刪除或替代，設(shè)置零件材料屬性：A 梁、B 梁為實際的退火不銹鋼ss、對頂缸、試驗缸為鍛造合金鋼、對頂缸固定底座、試驗缸固定底座、筋板為100mmQ235 鋼板焊接而成、立柱為普通碳鋼Q235、A 梁連接板、B 梁連接板為100mm 普通碳鋼，零件接觸屬性:A 梁、B 梁為焊接接觸、對頂缸、試驗缸為面接觸、對頂缸固定底座、試驗缸固定底座為面接觸，筋板、1#橫梁、2#橫梁、3#橫梁為面接觸、軸銷、軸套為機械接觸、A 梁連接板、B梁連接板為螺栓接觸；外部載荷：地面梁設(shè)定為固定與地面接觸不動、對頂缸、試驗缸所受最大力矩為45Mpa 靜載荷，方向為對頂缸、試驗缸縱向靜載荷；設(shè)定夾具固定，編輯網(wǎng)格屬性，網(wǎng)格密度：良好、網(wǎng)格參數(shù)：基于混合曲率的網(wǎng)格、單個尺寸：63.3679mm、公差：3.1684mm 自動過濾、高級雅可比點：29 點、實體的自動試驗：實驗體3、品質(zhì)：高； 應(yīng)用控制：3 分別為對頂缸、試驗缸接觸面，試驗缸整體和所有支撐梁。最終得到了網(wǎng)格劃分圖形，網(wǎng)絡(luò)類型：實體網(wǎng)格、節(jié)總數(shù)49710、單元總數(shù)量為：216934，以上得到靜力學(xué)受力分析所用的良好網(wǎng)格。

運用Simulation 靜力學(xué)分析模塊得到了試驗臺架在不同加載模式下的應(yīng)力云圖。發(fā)現(xiàn)試驗臺在T 型擋板中間橫梁中心部位出現(xiàn)明顯的集中應(yīng)力現(xiàn)象，最大為2.93e+008 應(yīng)力，局部最大應(yīng)力值超出材料的屈服極限235Mpa，由于出現(xiàn)的位置為試驗缸所對應(yīng)的擋板T 型橫梁中間區(qū)域及擋板中心區(qū)域應(yīng)力集中，發(fā)現(xiàn)T 型擋板的設(shè)計有所缺陷，所以加固擋板厚度由原來的50mm 增加到100mm，再次重新運用Simulation 靜力學(xué)分析模塊得到應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)擋板中心局部應(yīng)力為2.85e+008 應(yīng)力，有所改善，但沒有到達材料屈服應(yīng)力極限以下，繼續(xù)設(shè)計，由原先的2 塊中間橫梁，增加到3 塊橫梁，中心區(qū)域應(yīng)力云圖得到2.33e+008 應(yīng)力，滿足材料屈服應(yīng)力，但是中間橫梁側(cè)面出現(xiàn)應(yīng)力集中，最后優(yōu)化更改中間橫梁位置，應(yīng)力云圖得到較好的效果，最終修訂了T 型擋板的設(shè)計模型，增加了50mm 的厚度，加入中間1 塊橫梁，并根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整了的位置，所有橫梁為滿焊，T 型擋板滿足材料屈服強度需要。

運用Simulation 模塊得到了試驗臺在不同加載模式下的應(yīng)力和位移云圖。為了檢驗整體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力及部分組件的應(yīng)力極限，通過分析得到，試驗臺在頂梁偏心加載底座扭轉(zhuǎn)加載、頂梁偏心加載底座兩端集中加載和頂梁扭轉(zhuǎn)加載底座兩端集中加載的工況下，試驗臺架最大應(yīng)力值均在材料的屈服極限內(nèi)，從而滿足材料的強度要求。而在B 梁扭轉(zhuǎn)加載底座橫筋扭轉(zhuǎn)加載的工況下出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，發(fā)生在活動梁扭轉(zhuǎn)處且最大應(yīng)力值為350MPa，超過了材料的屈服極限。因此對試驗臺架B 梁卡槽結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，對其底座設(shè)計中的內(nèi)部筋板采取加厚 10mm的措施，結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后B 梁的集中應(yīng)力降為材料的屈服極限以內(nèi)，從而滿足了強度要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足設(shè)計要求，增加了試驗臺的整體剛度。整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的應(yīng)力分析最大應(yīng)力點為2.05e+008 應(yīng)力和位移分析圖最大變形量為1.05mm，均滿足設(shè)計要求及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以從圖形變化符合設(shè)計要求，達到了試驗臺的設(shè)計要求。不過試驗臺臺架設(shè)計中也存在一些不足，還需要在以后的實際運用中加以升級及優(yōu)化。

4 結(jié)論

（1）通過以上論證，液壓缸打壓試驗臺架再優(yōu)化過后，運用Simulation 模塊得到了試驗臺在不同加載模式下的應(yīng)力和位移云圖。試驗臺架最大應(yīng)力值均在材料的屈服極限內(nèi)為205Mpa，滿足材料的屈服強度要求。試驗缸固定底座橫梁的位移由 5.04mm減小到 1.05mm，變形量可以忽略不計，并且增加了底座橫梁筋板的厚度，優(yōu)化了局部設(shè)計，增加了試驗臺的整體剛度。

（2）該液壓缸打壓試驗臺架通過試驗可以根據(jù)試驗缸尺寸不同、行程不同、安裝方式不同，可以使用不同位置的等距孔或等距槽進行調(diào)整滿足于設(shè)計要求；

（3）通過模擬分析該液壓缸打壓試驗臺架可以滿足超高壓（25Mpa-45Mpa）的液壓缸進行負(fù)載打壓試驗分析。

（4）本文設(shè)計的液壓缸打壓試驗臺架通用性強，適用于各種結(jié)構(gòu)的液壓缸的打壓負(fù)載試驗，操作簡單方便，實用性強。

（5）經(jīng)過試驗證明其功能齊全、性能可靠、測試范圍廣，達到了預(yù)期目的。