基于Simulation的液压缸外缸筒变形分析

　　液压缸是液压系统中非常重要的执行元件，其驱动机构作直线往复运动，将流体的压力能转化为机械能，工作平稳，惯性小，反应快。

　　泄漏是液压传动系统必须解决的问题。内泄漏会引起系统容积效率的急剧下降，使系统达不到所需的工作压力，造成设备无法正常运转; 外泄漏则造成工作介质浪费和环境污染，甚至引发设备操作失灵和人身事故。21 MPa 3 级液压缸主要用于钻井支架的竖起与放落，由于压力较大，工作时容易出现泄漏现象。本文运用 SolidWorksSimulation 有限元分析软件对外缸筒进行分析，并提出改进方法，有效地解决了其泄漏问题。

　　1 结构及受力分析

　　21 MPa 3 级液压缸的结构如图 1 所示，为柱塞式和双作用活塞式相结合的结构。在竖起支架时，大直径缸 ( 1 级缸) 先伸出，然后 2 级缸、3级缸出，升起过程中速度逐渐减小。工作结束收起液压缸时，小直径缸 ( 3 级缸) 先收起，依靠重力逐级收回。

　　在外缸筒上开设安装卡环的环形槽，以固定导向套。外缸筒受力如图 2 所示，包括液压油、导向套、卡环和挡圈对内壁的正压力，以及卡环对环形槽的轴向压力。由于开有环形槽，缸筒的壁厚被削弱。在承受较大压力时，外缸筒会出现“喇叭口”状的变形，从而导致液压油泄漏，影响钻井支架顺利竖起与放落。

　　2 Simulation 有限元计算

　　作为 SolidWorks 的插件，Simulation 与 Solid-Works 无缝集成，其功能强大，界面友好，操作简单，计算结果可靠。Simulation 能够进行应力分析、应变分析、频率分析、热分析、掉落测试、疲劳分析、设计优化、线性和非线性分析等。与 Ansys等有限元分析软件相比，Simulation 以其直观性和易操作性得到了越来越广泛的应用。

　　21 MPa 3 级液压缸外缸筒 Simulation 有限元计算步骤如下:

　　( 1) 创建算例 运行 Simulation 插件并建立静态算例。计算位移、反作用力、应变、应力和安全系数分布。当应力超过一定数值时材料将失效。安全系数计算基于失效准则，安全系数低于 1，即表示材料失效。

　　( 2) 设置材料属性 在 Simulation 中将外缸筒的材质指定为合金钢。

　　( 3) 添加约束 为完成静态分析，模型须正确施加约束，使之无法移动。Simulation 提供了各种夹具来约束模型。在外缸筒的工作过程中，其端面圆环与后盖焊接在一起，故在外缸筒的圆环面上施加固定几何体约束。

　　( 4) 施加载荷 为简化计算，在缸筒的内壁上施加 21 MPa 的垂直正压力，在环形槽面上施加轴向压力 21 MPa，模拟外缸筒的实际受力情况。