基于ANSYS的井架支撑液压缸的有限元分析

　　概述

　　在工程上，各种井架的起升大都由大型伸缩液压缸支撑。液压缸的强度、刚度以及稳定性对液压缸井架系统的安全起着决定性作用。大型伸缩液压缸具有结构复杂，造价昂贵的特点，由于目前此类液压缸的设计并没有固定的标准，在工程上很容易发生爆裂、扭曲、折断以及其他失效方式，造成严重的损失。目前采用单一、常规的强度校核方法无法满足工程实际需要，必需结合液压缸实际工作情况采用不同方法对其强度、刚度以及稳定性进行校核。本文以某厂液压缸井架系统做分析探讨。

　　液压缸井架系统如图 1 所示，井架是由一个具有 2 节伸缩液压缸支撑。此液压缸设计标准为GB/T15622-1995，结构复杂，而且在支撑整个井架至竖起的过程中，液压缸整体长度、受力以及内部油压一直处于变化过程中。液压缸由于长度的变化产生的整体稳定性问题，以及由于液压缸内部复杂结构在工作中产生的应力、应变不均匀问题都可能使液压缸失效。因此，有必要先分析此液压缸在整个工作过程中整体长度变化，所受载荷变化以及内部压力变化情况，分析其整体稳定性并且找出液压缸最容易失效的状态，然后利用有限元分析其强度和刚度是否满足要求。

　　1 受力分析

　　建立液压缸井架系统模型如图 2。

　　图中重心轨迹是井架上升中重心运动轨迹，K2 是井架重心到井架铰座的距离，K1 是液压缸与井架连接点到井架铰座的距离。重心轨迹是以K2 为半径的 1/4 圆，作用点的轨迹是以 K1 为半径的 1/4 圆。取某一位置进行分析，根据几何关系由正弦定理得

　　其中 L-液压缸及其伸出总长度即1O 到作用点的长度 mm;b—液压缸铰座到井架铰座距离即1O 到 O 点的长度 mm;θ —井架重心上升的角度θ ∈ [0, π/ 2]rad; α —初始井架位置和1O O 的夹角rad ;β —液压缸和1O O 的夹角 rad;G—井架重力 KN。

　　利用Matlab绘制出液压缸轴向受力F随液压缸整体长度变化曲线如图 3 所示。

　　由图 3 得出装配状态下液压缸的初始长度为5801mm，最大长度为 13827mm，初始状态液压缸受力最大,最大值 F=1633.1334KN，对应于图中 A点。当井架油缸第一节完全伸出，即伸出 4200mm时，井架油缸总体长度为 10001mm，此时受力为1339.1425KN，对应于图中 B 点。图 4 为液压缸内部油压与整体长度的关系曲线。

　　由图 4 得知，初始压力值为 20.3063Mpa ，对应于图中 C 点。当第一节油缸完全伸出达到最大值 4200mm 时，液压缸整体长度为 10001mm，第2 节油缸开始伸出，油缸内部压力上升为27.2808Mpa，对应于图中 D 点。