液压缸耳环结构改进及有限元分析

　　液压缸(见图1)是工程机械主要的受力与动力支撑元件，通过液压缸活塞杆的伸出、回缩来实现机构的运动[1]。液压缸受力部位经常因主机振动或摆动而产生失效;同时液压缸承受着很大的内压，工作压力高达 40 MPa，甚至更高，复杂的受力工况对液压缸的结构提出了很高的要求，尤其是液压缸的耳环(见图2)，作为主要的受力部位与运动支撑部位，有着更高的安全要求。通过发生的几起耳环断裂事故来看，耳环部位的疲劳断裂是造成安全事故的主要原因，所以液压缸耳环结构的改进，对提高液压缸安全质量有着重要影响。

　　本文通过建立液压缸耳环部位的有限元分析模型，利用Pro/E 软件下的 Mechanica 模块，对复杂工况下的耳环进行疲劳分析，将得到的有限元分析结果与试验结果相比对，验证有限元分析模型的准确性，并通过有限元分析方法指导耳环结构的改进与优化，提高耳环的安全性。

　　1耳环模型的建立

　　1.1 耳环模型的网格划分与材料定义

　　在Pro/E 软件中直接对耳环结构进行建模，然后导入Pro/E 的 Mechanica 模块，Mechanica 模块与其他的CAE 分析软件，如 ANSYS 等大型商用软件相比，采用P单元来保证计算结果的收敛，同时也可以通过细化网格的方式来提高计算的精度，并且与 Pro/E可以直接转化接口，使用起来比较方便[2]。如图3 所示，对断裂部位加体积块细化网格尺寸到20 mm，其余按30 mm计算，材料为45 号钢，得到总单元数13 982，总节点数3 594。

　　1.2 位移边界条件

　　耳环的断裂部位为耳环的小端(见图2)，耳环小端的外螺纹与活塞杆体的内螺纹相连，再通过紧定螺钉进行防松处理，可以近似地假设位移边界条件为全约束，且螺纹之间没有间隙的存在，这是一种简单化的处理方法，会存在一定的计算误差(存在位移误差)，但是这种方法的应用十分广泛，而且在正确选定边界零位移的范围后，仍然能得到较好的结果[3]。

　　1.3 力边界条件

　　液压缸的工作压力为40 MPa，考虑复杂工况，采用试验压力45 MPa，换算为耳环受力，共计1 869kN 的力全部作用在耳环上，方向沿耳环轴线，冲击方向一正一反变换，如图4 所示。

　　1.4 评价指标

　　产品安全的一个重要指标为安全系数，所以本次计算的重点为耳环根部测量点的疲劳安全系数，测量点统一在耳环与活塞杆体连接处。

　　2耳环疲劳强度计算结果

　　图5和图6 分别为循环次数为5 万次和100 万次时的安全系数变化图(循环次数 15 万次、25 万次和 35 万次的安全系数变化图从略)。从图5 和图6 可以看出，随着循环次数的增加，耳环部位整体安全系数逐渐降低，将循环10次到循环100 万次耳环断裂部位的安全系数进行汇总，得到图7 所示曲线。可以看出，在循环次数达到10万次以后，安全系数已经小于1，在循环次数达到35 万次时，安全系数已经降到0.7 左右，存在很环上，方向沿耳环轴线，冲击方向一正一反变换，如图4 所示。大的断裂风险。