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1、液压缸优化设计现状研究舒煦朗（华东理工大学 机动学院 上海 2015121）液压油缸在现代工程中的使用十分频繁，其工作性能和可靠性直接影响工程的质量和进度；结合液压机设计，分析了 CAD 技术与有限元法、优化设计方法在液压设备设计中的实际应用，把现代设计理念及方法与传统相结合，改善设计的合理性、提高设计效率、降低设计工作量。第一章第一章引言随着现代工业的蓬勃发展，被称为“机械工业之母”的模具行业受到了世界各国越来越多的重视，液压缸作为塑性成形生产中应用最广的设备之一，自 19 世纪问世以来发展很快，已成为工业生产中必不可少的设备 【1】 。在国防工业和民用工业中，液压设备占有极其重要的地位，其
2、发展水平、拥有量和构成比，不仅对塑性加工起关键作用，而且在一定程度上反映一个国家的工业水平。液压传动是研究以有压流体（液体）为传动介质来实现各种机械的传动控制的学科。液压传动是根据流体力学的基本原理，利用流体的压力能进行能量的传递和控制各种机械零部件运动。目前，液压技术已广泛应用于各个工业领域的技术装备上，例如机械制造、工程、建筑、矿山、冶金、船舶等机械，上至航空、航天工业，下至地矿、海洋开发工程，几乎无处不见液压技术的踪迹。液压技术的应用领域大致上可以归纳为以下几个主要方面：（1）各种举升、搬运作业。尤其在行走机械和较大驱动功率的场合，液压传动已经成为一种主要方式。如起重机、起锚机等。（2）
3、各种需要作用力大的推、挤、挖掘等作业装置。例如，各种液压机、塑料注射成型机等。（3）高响应、高精度的控制。飞机和导弹的姿态控制等装置。（4）多种工作程序组合的自动操作与控制。如组合机床、机械加工自动线。（5）特殊工作场合。例如地下水下、防爆等。 第二章第二章 液压缸的介绍液压缸的介绍2.1 液压缸的类型及结构形式液压缸的类型及结构形式液压缸有多种类型。按作用方式可分为单作用式和双作用式两种；按结构形式可分为活塞式、柱塞式、组合式和摆动式四大类。其中，单作用液压缸分为：单活塞杆液压缸、双活塞杆液压缸、柱塞式液压缸、差动液压缸和伸缩液压缸。但是，差动式液压缸和柱塞式液压缸只能单作用而不能双作用。组
4、合液压缸包括：弹簧复位式、齿条式、串联式和增压式四种。摆动液压缸又分为：单叶片式和双叶片式两种。下面以一种典型液压缸为例，说明液压缸的基本组成。图 2-1 空心活塞式液压缸结构1、15-活塞杆 2-堵头 3-托架 4、7、17-密封圈 5-排气孔 6-导向套 8-活塞 9-锥销 10-缸筒 11-压板 12-钢丝环 13、23-纸垫 14-排气孔 16、25-压盖18、24-缸盖 19-导向套 20-压板 21-钢丝环 22-锥销2.22.2 液压缸的组成液压缸的组成从以上液压缸的结构形式上可知：液压缸可以分为缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置五大部分。(1)缸体组件；缸体组件；
5、(2)活塞组件；活塞组件；(3)密封装置；密封装置；(4)缓冲装置；缓冲装置；(5)排气装置排气装置 第三章第三章 液压缸的设计方法液压缸的设计方法3.13.1 简介简介液压缸是液压系统中活塞杆作往复运动的工作机构。其结构形式均为单活塞杆双作用耳环安装式。主要用于工程机械、运输机械、矿山机械及车辆等的液压传动。液压缸结构如下图 3-1:图 3-1 液压缸结构3.23.2 液压油缸的一般设计步骤液压油缸的一般设计步骤1）掌握原始资料和设计依据，主要包括：主机的用途和工作条件；工作机构的结构特点、负载状况、行程大小和动作要求；液压系统所选定的工作压力和流量；材料、配件和加工工艺的现实状况；有关的国
6、家标准和技术规范等。2）根据主机的动作要求选择液压缸的类型和结构形式。3）根据液压缸所承受的外部载荷作用力，如重力、外部机构运动磨擦力、惯性力和工作载荷，确定液压缸在行程各阶段上负载的变化规律以及必须提供的动力数值。4）根据液压缸的工作负载和选定的油液工作压力，确定活塞和活塞杆的直径。5）根据液压缸的运动速度、活塞和活塞杆的直径，确定液压泵的流量。6）选择缸筒材料，计算外径。7）选择缸盖的结构形式，计算缸盖与缸筒的连接强度。8）根据工作行程要求，确定液压缸的最大工作长度 L，通常L=D，D 为活塞杆直径。由于活塞杆细长，应进行纵向弯曲强度校核和液压缸的稳定性计算。9）必要时设计缓冲、排气和防尘
7、等装置。10）绘制液压缸装配图和零件图。11）整理设计计算书，审定图样及其它技术文件。3.33.3 代设计方法代设计方法建立有限元模型通过 UG 软件进行实体建模，生成直观可视的三维模型,并对其进行运动仿真分析、装配干涉检查及有限元仿真分析。其功能特点如下 【2】：（1）用造型来设计零部件，实现了设计思想的直观描述；（2）充分的设计柔性，使概念设计成为可能；（3）提供了辅助设计与辅助分析的完整解决方案；（4）图形和数据的绝对一致及工程数据的自动更新。此外，在 UG-Structures 中进行有限元划分时，可以保留模型的细节，避免在传统有限元软件界面中进行有限元划分时不得不忽略一些有用的细节，
8、从而解决了复杂模型在传统有限元软件经典界面中不能方便进行有限元网格划分的问题，确保了计算的精确度。在液压机结构设计与分析过程中，大部分工作量都集中在有限元模型的建立和寻优求解两个阶段。如果把各种模块结构和整机结构模型都以参数化技术进行有限元建模，当需要新产品结构设计时，只需输入必要的、合理的参数值、即可进行自动地建模、分析和优化设计 。 【3】利用 UG 的高级仿真模块进行分析，UG 的高级仿真是一个综合性的有限元建模%解算和结果可视化产品。其包括一整套前处理和后处理工具，并支持广泛的产品性能评估解法，Unigraphics 有限元模块分别支持”NX. Nastran” 、 ”MSC. Nas
9、tran” 、 ”ANSYS”和“ABAQUS”4 种类型的解算器【4】 。工作缸是液压机的关键部件，其设计质量的好坏直接影响主机的工作性能和使用寿命，是大型液压机的主工作缸，价数 10 万元，如果设计不当，过早失效将造成较大的经济损失。因此采用现代设计方法对工作缸进行结构设计，对提高其使用寿命，增加经济效益具有重要意义【5】 。3.43.4 计液压缸要考虑的问题计液压缸要考虑的问题1）保证液压缸往复运动的速度、行程需要的牵引力。2）要尽量缩小液压缸的外形尺寸，使结构紧凑。3）活塞杆最好受拉不受压，以免产生弯曲变形。4）保证每个零件有足够的强度、刚度和耐久性。5）尽量避免液压缸受侧向载荷。6）
10、长行程液压缸活塞杆伸出时，应尽量避免下垂。7）能消除活塞、活塞杆和导轨之间的偏斜。8）根据液压缸的工作条件和具体情况，考虑缓冲、排气和防尘措施。9）要有可能的密封，防止泄漏。10）液压缸不能因温度变化时，受限制而产生挠曲。特别是长液压缸更应注意。11）液压缸的结构要素应采用标准系列尺寸，尽量选择经常使用的标准件。12）尽量做到成本低，制造容易，维修方便。3.53.5 关于有限元方法小结关于有限元方法小结UG 件在设计分析和制造领域里崭新功能的运用,善了设计人员进行产品开发的虚拟环境,大大提高现代产品开发的能力.而给予设计者一新的产品开发和设计思路.使用 UG NX 进行设计、优化，大地缩短了设
11、计周期，提高了设计效率降低了前期投入，减小了风险，加快产品开发研制的进程，并且运用优化的设计思路使产品更具安全性及合理性【6】。参考文献1.钟明建 3 000 t 拉深液压机下横梁有限元分析期刊论文 - 天津冶金 2008(01)2.王洪海 UG 到 ANSYS 有限元模型的转换 20083. 郑辉;徐燕申;侯亮 ANSYS 参数化分析功能及其在液压机快速设计中的应用期刊论文 - CAD/CAM 计算机辅助设计与制造 2002(05)4.席俊杰;夏德伟;曹永刚 Unigraphics NX 4.0 中文版机械设计高级应用实例 20075. 商跃进;杨晋;李刚 630 t 液压机工作缸动态有限元分析期刊论文 - 重型机械 2006(01)6. 杜浩明；钮鑫钰 现代设计理论在液压设备设计中的应用上海电机学院学报 2002
