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路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
机械中广泛采用液压传动系统,液压油缸是液压传动系统中的重要执行元件,其中的缸筒一般都是高精度的冷拔钢管,钢管在冷拔成型过程中,内外表面均受到摩擦力的作用,所以内外表面的金属流速比较一致,而中心层金属的流速比内外表面层快,因此钢管在拉拔过程中的塑性变形也是不均匀的。受不均匀变形的影响,冷拔钢管内外层与中心层会产生附加的应力,这种附加应力在冷拔后仍然残留在钢管中,从而形成残余应力。
由于冷拔方法,减径率的大小,模具的形状以及钢管的机械性能等的不同,钢管成型后的残余应力的大小和分布情况也是极不均匀的,缸筒的残余应力主要表现为轴向和环向残余应力,径向残余应力数值较小。残余应力的存在对缸筒的承载能力有很大的影响,尤其是轴向残余应力和环向残余应力对缸筒的承载能力影响比较大,由于径向残余应力数值比较小,
所以对缸筒的承载能力影响比较小。目前对缸筒残余应力的研究主要集中在如何减小缸筒残余应力上,文献[1]中主要考虑了残余应力对缸筒加工过程中尺寸精度的影响,提出了减小和消除残余应力的方法,没有介绍在实际使用过程中残余应力对缸筒承载能力的影响。因此,研究残余应力对液压油缸缸筒承载能力的影响具有重要的实际意义。
1 力学模型及基本假设
以同步双活塞杆液压油缸缸筒为研究对象,力学模型如图1所示,笔者对缸筒力学模型及外载荷分布形式作如下基本假设:
(1)钢管拔制前为理想圆形,且壁厚均匀。
(2)液压油对缸筒的压力均匀分布。
(3)活塞两端液压油对缸筒的压力相同。
(4)液压油对端盖的压力等效到缸筒的端面上,根据力的平衡有:
得出式中:D为缸筒外径,mm;
d为缸筒内径,mm;
d'为活塞杆直径,mm;
P1 ,P2的单位为MPa。
(5)缸筒变形后相对于缸筒中心是对称的。缸筒的力学模型
2 有限元分析
2.1 问题的分析思路
问题的有限元分析均是利用大型多物理场分析软件——Ansys完成的,为了使所做分析能够更接近真实情况,首先将钢管通过冷拔过程(只研究空拔成型)获得拔制后钢管的一次残余应力场,然后通过对单元释放刚度的方法模拟钢管的切割过程,获得液压油缸缸筒尺寸,同时获得钢管的二次残余应力场,然后将获得的二次残余应力场作为油缸缸筒的残余应力场对存在残余应力场的缸筒施加载荷,进行有限元分析。在有限元分析中,为了降低分析的难度,在对最终结果影响不是很大的前提下,将缸筒其中一个端面的压力等效为对端面的位移约束,另一端面的压力不变。
2.2 材料和有限元模型
已知钢管拔制前外径D=125ram,内径d=111.4mm,采用锥模拔制成型,模拟完切割过程后,得到的缸筒外径D=114.4mm,缸筒内径d=100.4mm,取活塞杆直径d'= 57mm,压力P1最大加载到1OMPa,利用公式(1)通过计算得到P2的最大值为46.6MPa。弹性模量E=2.1×10 MPa,泊松比=0.3,材料的屈服极限σr =360MPa。根据问题的对称性,取1/4作为研究对象,采用3Dsolid186单元划分有限元网格,共划分872个单元实体单元,其中模具单元数为
392个,钢管单元数为480个,模具上划分目标单元168个,钢管上划分接触单元240
个,节点总数为5045个,有限元模型如图2所示。
2.3 计算结果分析
存在残余应力的缸筒在载荷作用下又产生新的应力场,不同的残余应力可能会抵消一部分由外载荷产生的应力,从而提高缸筒的承载能力,也可能增加缸筒的最终应力,反而会降低缸筒的承载能力。下面通过将存在残余应力与不存在残余应力这两种前提下缸筒在受到载荷作用时的应力状况进行比较,去研究环向残余应力、轴向残余应力和等效应力对液压油缸缸筒承载能力的影响,由于径向残余应力数值较小,对缸筒的承载能力影响比较小,在此将不做研究。图3是液压油缸缸筒的残余应力(即模拟完钢管切割后获得的二次残余应力)分布图,从图中可以看出缸筒的轴向残余应力与环向残余应力的分布规律基本一致,环向残余应力无论是拉应力还是压应力在数值上都要比轴向残余应力大,从图中还可以发现,零应力层并不在壁厚的几何中心层,而是在距缸筒内壁4mm (壁厚为7mm)的位置上,压应力和拉应力在数值上也并不对称。
图3 缸筒残余应力分布
2.3.1 轴向残余应力对缸筒承载能力的影响
轴向残余应力与载荷P2的关系如图4所示,由于缸筒处在弹性阶段,缸筒的轴向应力完全来自于载荷P2 ,所以轴向应力与载荷P2之间严格遵守线性关系,无残余应力缸筒在载荷作用后其轴向应力均匀分布且大小等于作用载荷P2的值,有残余应力缸筒在载荷作用后其轴向应力分布不是很均匀,最值等于作用载荷P2与初始轴向残余应力最值之和。从图中可以看出,有残余应力的缸筒由于内壁存在轴向残余压应力,所以在受到载荷P2 的作用后,可以抵消一部分载荷,使压应力逐渐减小,而缸筒外壁存在轴向残余拉应力,与载荷P2 方向一致,所以在载荷作用下,外壁的轴向应力呈逐渐增大的趋势。所以如果内壁的残余压应力数值相对于外壁的残余拉应力数值比较大,可以选择在系统强度要求范围内减小活塞杆直径的方法来增加P2 的值,以达到抵消更多残余压应力的目的,从而提高缸筒的承载能力;如果外壁的残余拉应力数值相对于内壁的残余压应力数值比较大,可以选择在系统结构尺寸要求范围内增大活塞杆直径或增加壁厚的方法来减小P2 的值,以达到放缓拉应力增加的目的。对于钢管在冷拔成型中可以通过减小钢管的减径率或增加拉拔道次以及减小钢管与模具之间的摩擦和进行有效的热处理来减小外壁的轴向残余应力。
图4 轴向残余应力与p2的关系
2.3.2 环向残余应力对缸筒承载能力的影响
环向残余应力与载荷主P1的关系如图5所示,由于缸筒处在弹性阶段,缸筒的环向应力完全来自于载荷p1,所以轴向应力与载荷P1之间也遵守线性关系,无残余应力缸筒在载荷作用后其环向应力均匀分布但内外表面的应力值不相等,内壁的应力值高于外壁的应力值,二者的差刚好是此时载荷p1的大小,例如, 当P=8MPa时,内壁的应力值为62MPa,外壁的应力值为54MPa,二者的差值等于P1的值。有残余应力缸筒在载荷作用后其轴向应力分布不是很均匀,最值等于对应无残余应力缸筒在载荷P1作用下产生的应力最值与初始轴向残余应力最值之和。从图中可以看出,有残余应力的缸筒由于内壁存在环向残余压应力,所以在受到载荷P1的作用后,可以抵消一部分载荷,使压应力逐渐减小,而缸筒外壁存在环向残余拉应力,与载荷P1方向一致,所以在载荷作用下,外壁的环向应力呈逐渐增大的趋势。所以如果内壁的残余压应力数值相对于外壁的残余拉应力数值比较大,在系统精度要求的范围内可以提高系统的额定压力,从而提高缸筒的承载能力;如果外壁的残余拉应力数值相对于内壁的残余压应力数值比较大,如果系统的精度要求比较高的话,那么系统的额定压力就不能定的太高。对于钢管在冷拔成型中可以通过减小钢管的减径率或增加拉拔道次以及有效的热处理来减小环向残余应力。
图5 环向残余应力与p1的关系
2.3.3 等效应力分析
缸筒的等效残余应力(即模拟完钢管切割后获得的二次残余应力)云图如图6所示,加载后(P =10MPa时)缸筒的等效应力云图如图7所示。从图6中可知,缸筒内壁的等效残余应力大约为60MPa,外壁的等效残余应力大约为80MPa,在距缸筒内壁4mm的面上的等效残余应力最小。加载后缸筒内壁的等效应力大约为25MPa,缸筒外壁的等效应力大约为135MPa,而且此时应力的最小值出现在缸筒的内壁,对于油缸来说,内壁的尺寸精度比较重要,所以保持内壁有一个比较低的应力水平,可以提高缸筒工作性能。由此可见,适当的残余应力的存在是可以提高缸筒的承载能力的。
图6 缸简的等效残余应力
图7 加载后缸筒的等效应力
3 结论
(1)通过对缸筒残余应力的有限元分析发现,零应力层并不在壁厚的几何中心层,而是在距缸筒内壁4mm (壁厚为7mm)的位置上,压应力和拉应力在数值上也并不对称。
(2)如果内壁的残余轴向压应力数值相对于外壁的残余轴向拉应力数值比较大,可以选择在系统强度要求范围内减小活塞杆直径的方法来增加P 的值,以达到抵消更多残余压应力的目的,从而提高缸筒的承载能力;如果外壁的残余轴向拉应力数值相对于内壁的残余轴向压应力数值比较大,可以选择在系统结构尺寸要求范围内增大活塞杆直径或增加壁厚的方法来减小P 的值,以达到放缓拉应力增加的目的。
(3)对于因缸筒外壁轴向残余应力对缸筒的承载能力造成的影响,可以在钢管冷拔成型中通过减小钢管的减径率或增加拉拔道次以及减小钢管与模具之间的摩擦和进行有效的热处理来减小外壁的轴向残余应力。
(4)如果内壁的残余环向压应力数值相对于外壁的残余环向拉应力数值比较大,在系统精度要求的范围内可以提高系统的额定压力,从而提高缸筒的承载能力;如果外壁的残余环向拉应力数值相对于内壁的残余环向压应力数值比较大,如果系统的精度要求比较高的话,那么系统的额定压力就不能定的太高。
(5)对于因缸筒外壁环向残余应力对缸筒的承载能力造成的影响,可以在钢管冷拔成型中通过减小钢管的减径率或增加拉拔道次以及有效的热处理来减小环向残余应力。
(6)通过对缸筒加载后的等效应力的分析,可以知道适当的残余应力的存在有助于提高缸筒的承载能力。
(7)残余应力对缸筒的尺寸精度有一定的影响,所以在实际的
设计
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中,要想提高缸筒的承载能力,就要很好的保证缸筒的密封性能,在工作载荷较低的情况下,要尽量减小缸筒的残余应力。
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