低速大扭矩液压马达连杆的ANSYS有限元分析

　　引言

　　球铰副和滑靴副是曲轴连杆式低速大扭矩液压马达中的关键摩擦副,二者都和连杆有关。目前多采用静压支承原理设计连杆滑靴,连杆油室内的高压油液和密封带油膜共同承受负载;柱塞球窝内设有圆锥形油室,以改变球铰副的润滑条件。在进行以上设计时都是假设连杆为刚性体而不考虑变形的影响,这工作实际差别太大,尤其是滑靴副会经常出现因静压支承失效而导致的故障,此类故障占液压马达故障的80%以上。因此有必要对连杆进行接近真实工况的有限元分析,以考察连杆的受力变形对其工作性能的影响。

　　国内曾有学者在简化模型的基础上系统研究了多种参数对连杆变形的影响[1～2],得出了许多有益结论,但还存在着如下不足:模型过于简化,不是针对零部件的真实造型;约束条件远离连杆的实际工况,仅简单地限制了球头表面各节点的全部自由度,在真实条件下,应为柱塞球窝内表面对连杆球头外表面形成的表面接触摩擦副约束;由于柱塞球窝内有圆锥形油室,故连杆球头的部分表面还应该均布油液压力。

　　本文先对柱塞连杆结构进行建模和约束,然后比较新型曲轴连杆式低速大扭矩液压马达和CLJM-3.15型液压马达的分析结果,指出制造与加工时应该注意的问题。

　　1　建模和约束

　　由于ANSYS的几何建模功能相对简单,采用UG NX2对连杆和柱塞进行实体建模(忽略连杆中心阻尼管及螺纹等对弹性变形影响不大的结构),然后以Parasolid格式导出为*.xmt-txt,再将此文件导入ANSYS中。

　　柱塞和连杆的UG实体造型和ANSYS分析模型如图1所示。

　　ANSYS分析时,采用20节点等参单元,共划分32 436个单元、51 604个节点,其中连杆29 824个单元、48 002个节点,弹性模量220 GPa,泊松比0.25。

　　约束条件为:柱塞空间固定,柱塞的球窝内表面与球头外表面为表面接触摩擦副约束,与球窝圆锥形油室对应的球头表面均布油液压力,与柱塞腔内的高压油等压力,限制对称面上各节点的法向移动自由度(对称边界条件),滑靴底部油室内均布油液压力,滑靴底部密封带引入函数确定的压力分布(线性分布或对数率分布),软件自动将面力按照静力学等效原则转化到节点上。对于设计的新型曲轴连杆式低速大扭矩液压马达和CLJM-E3.15型液压马达,当柱塞腔压力为25 MPa时,滑靴底部油室压力分别为18.89 MPa和23.395 MPa。

　　因为引入了表面接触,对连杆的有限元分析是一个非线性过程,增加了计算量,求解时间较长。

　　2　结果分析

　　图2～5是在上、下死点位置时,新型连杆的应力、应变状态,以及新型液压马达和CLJM-E3.15型液压马达在柱塞腔压力为25 MPa时,滑靴底面的变形。