液压缸用弹簧疲劳强度分析及改进.pdf

液压缸用弹簧疲劳强度分析及改进 刘庆教 ， 王秀君 ， 张虹源 徐州徐工液压件有限公 司 摘 要 以某型液压缸用弹簧为研究对象 ， 采用理论分析及有限元分析方法， 对复杂工况下某型液压缸 用弹簧进行疲劳强度分析， 分析弹簧疲劳寿命与安全系数。通过仿真试验， 验证弹簧参数对其性能的影响， 提出改进方案， 对弹簧参数进行改进， 从而使弹簧的安全性与稳定性得到提升， 进而提高液压缸的使用寿命。 关键词 液压缸； 弹簧； 参数； 失效 液压缸 见 图 1 是液压系统中的执行元件 ， 它 是一种把液体 的压力 能转换成机械能 以实现直线 往复运动的能量转换装置l 1 】 。在某些复杂 的液压缸 中 工作压力一般 8 ～ 1 0 MP a ， 经常要用弹簧来实现 活塞杆 的复位功能 在液压力作用下活塞杆伸 出， 在弹簧力作用下活塞杆复位 。不 同于普通状况下 弹簧 的使用， 在液压缸中， 弹簧受到空间限制 ， 受力 比较复杂 ， 且运动频繁 ， 这就对液压缸用弹簧提出 了更高的要求 ，既要保证 弹簧力足 以弹出运 动部 2 件 ， 又要保证液压缸行程 ， 同时必须具有足够 的强 度和刚度 ， 寿命要长 ， 结构要紧凑 ， 质量要轻 。根据 机械设计手册 设计 的弹簧 ， 很难满足液压缸所处 复杂工况的要求 ，且没有可靠的方式进行验证 ， 当 弹簧材料 或结构受到多次重复变化 的载荷作用后 ， 易发生疲劳破坏圆 。针对液压缸用弹簧失效 断裂 、 永久变形无法恢 复 、 恢复力不 足等 故 障 ， 查找原 因，对液压缸用弹簧设计参数不合理状况进行改 进 ， 可对液压缸安全质量的提升产生重要的影响。 1 ． 弹簧2 ． 弹簧固定杆3 ． 缸体4 ． 油液口5 ． 活塞杆6 ． 导向套7 ． 负载 图 1 液压缸结构简 图 ， 本 文以某 型全地 面起重机上 的液压缸 用弹簧 为例 ， 建立液压缸用 弹簧 的有 限元分析模型 ， 利用 P r o ／ E软件进行数值模拟 ， 得到应力分布 、 疲劳寿命 分布及安全系数 曲线 ， 并进行试验验证 。通过对 比 分析试验结果与有限元分析结果， 讨论弹簧参数对 其使用寿命 的影响 ， 对 弹簧参数进行改进 ， 以提高 弹簧的安全性 、 可靠性。 1 弹簧危险点分析 首先 ， 对弹簧伸缩运动过程进行分析， 找到弹 簧危险点 ， 即弹簧最先破坏点的位置 。弹簧受力分 析如图 2 a 所示 ， 由于弹簧丝具有升角 ， 故在通过 作者简介 刘庆教 1 9 6 6 一 ， 男， 江苏徐州人， 高级工程师， 研究方向 液压元件及泵阀系统。 一 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图6 弹簧在循环次数为 1 ． 2 e 5时的疲劳损伤分布云图 由图 7所示弹簧在循环次数为 1 ． 0 e 5时的安全 系数分布云 图可知 ，弹簧内圈位置 的安全 系数较 低 ， 容易发生破坏 ， 这与理论分析所得结论一致。 图 7 弹簧在循环次数为 1 ． 0 e 5时的安全系数分布云图 由图 8所示测量点的安全系数平均值与循环 次数关 系曲线可知 ， 随着循环次数的增 加 ， 弹簧 的 安全系数逐渐减小 ， 当安全系数降低 到某一极限值 时 ，该变化趋 势变得较为平缓 ，当循环次数达 到 1 ． 2 e 5时 ， 安全系数为 1 ． 0左右。 j 型 3 ．5 3 ．o 辍 2 ．5 4 试验验证 为验证有限元分析结果与实际工况问的差异 ， 模拟实际工况， 在试验台上进行仿真试验 ， 通过加 载使液压缸进行往复运动 ， 验证弹簧 的疲劳强度及 复位情况。 4 ． 1 试验原理及参数 通过编制程序 ， 控制 电磁阀得 电、 失 电， 实现油 路供油与卸荷， 从而控制液压缸进行周期性往复动 作 ， 进而实现弹簧往复运动， 直到弹簧断裂为止。 试验台 结构 、 原理本文不作详细介绍 可对多个液 压缸 同时进行试验 ， 试 验数据取平 均值 ， 从而得到 更精确 的结果。 试验原理如图 9所示 ， 循环周期 4 S ， 前 2 S 将 比例溢流阀压力设定为 8 ． 0 M P a ， 电磁阀得 电， 弹簧处于全压缩状态； 后 2 S 将比例溢流阀压力 设定为0 M P a ， 电磁阀失电， 弹簧复位。 1 ． 电磁阀2 ． 球阀3 ． 定值溢流阀4 ． 溢流阀5 ． 比例溢流阀6 ． 液压缸 图9 试验原理图 4 ． 2 试验结果 利用 L a b V I E W 软件编制可控 、 可视程序 ， 自动 采集数据 ， 通过去伪存真的数据分析 ， 得 到所需结 6 果 。弹簧伸缩量 位移 测试数据如图 1 0 所示。 由图 1 0可以看出，弹簧的伸缩量存在动态变 化， 也就是说， 当达到一定伸缩次数后， 弹簧回复力 一 3 5一 柚 柚 柏 加 柏 柚 柚 柚 柚 l l 一 一一 ， 一一一 一一 一 8 g g 吕 8 昌 8 g 枷 咻 ‰ 8 7 7 6 6 5 5 ■■ 譬 l 2 3 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 O 弹簧伸缩行程位移图 局部 不再稳定。 当试验到 1 ．2 e 5 次左右时， 即安全系数降 为 1 ． 0左右 的时刻 ， 弹簧断裂 ， 试验结果与仿真分析 结果基本一致 ， 验证 了有 限元分析结果的有效性。 5 改进方案 针对弹簧安全性较低问题 ， 结合弹簧所受载荷 及结构特点 ， 考虑弹簧材料的影响 ， 经反复试验 ， 修 正参数 ， 确定如下的改进方案。 1 弹簧压缩长度远小于最短工作长度 ， 故将弹 簧总长适 当增加 ， 由 1 2 0 m m增加到 1 3 2 m m； 2 将螺距 1 8 ． 5 mm改为 1 6 ． 5 2 m m，螺距减小 ， 弹簧力增大 ， 弹簧刚度减小 ， 可延长弹簧使用寿命 ； 3 将材料 5 5 C r S i 改为 6 0 S i 2 M n A，材料塑性增 大 ， 使 弹簧不易断裂 ， 热处理时应采取防脱碳措施 ； 4 弹簧中间固定柱与弹簧 内径相匹配 匹配尺 寸以弹簧内径单边小 3 m m为宜 ， 避免弹簧运动时 折弯或曲折 ； 5 弹簧禁止酸洗 ， 应采用喷丸硬化后在 2 0 0～ 2 3 0 o C 保温至少 3 0m i n 。 6 改进后弹簧疲劳分析结果 对改进后的弹簧进行有限元分析 ， 并进行试验 验证 。由图 1 1 可以看出， 安全系数平均值 同样随着 循环次数 的增加而降低 ， 但是 比起改进 之前 已经有 了很大 的提高 ， 试验循环次数达到 1 ． 6 e 5时 ， 安全系 数才降到 1 ．0 左右， 相比原结构弹簧， 使用寿命明显 增加 ， 安全性能得到很大提高。 从 图 1 2改进后 弹簧伸 缩行 程位移 图可 以看 出， 改进 后弹簧的复位情况 良好 ， 压缩后 回复原长 度时的波动明显减小 ， 基本控制在合理范围内。 一 3 6一 籁2 ．5 2 ． 0 ； 飞 ， 一 ⋯ f ； 一 r‘ r J t i i l l i f i f 一1 _i ⋯⋯ ⋯ 、i ⋯ ⋯⋯ ⋯ J ；J ⋯ ‘ j J J i I l ； J ’ i I ； f t ⋯⋯ ⋯． 赋f t 奇 ； J r if r ． t l I l 捌 ≥ ≈四 l隹 喀 ．试 f q 40 0 8 o0 l 2 0 0 1 6 o o 20 0 0 时间， s 图 l 2 改进后弹簧伸缩行程位移图 局部 7 结束语 本 文 以某 型全 地 面起 重机 上 的液 压 缸 用 弹 簧为例 ， 对 弹簧进 行疲 劳强 度 分析 ， 通过 有 限元 分 析和 试验 验证 ， 改进 弹簧 参数 ， 提 高其 安 全性 与可 靠性 。 采用改进后 弹簧的液压缸 已在某型主机上得 到应用 ， 经反复验证 ， 弹簧无断裂 、 永久变形无法恢 复 、 恢复力不足等失效模式出现 ， 改进效果 明显 ， 有 效延长了液压缸 的使用寿命 。 参考文献 【 1 ]章宏甲， 黄谊． 液压传动【 M 】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 吴宗泽 ， 王序云． 机械设计[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 07． 【 3 】徐灏 ， 邱宣怀 ． 机械 设计手 册【 M】 ． 北京 机 械工业 出版 社 ， 1 9 9 2 1 2 3 7 ． [ 4 】 雷天觉． 液压工程手册【 M ] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 2 ． 通信地址 江苏徐州桃山路 1 8号徐州徐工液压件有限公司 4 5 0 0 5 1 J 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 ∞ ∞ ∞ ∞ m O 目Ⅲ／ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m