液压打桩锤环形阀组结构强度分析_崔郎郎.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月机电工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol 40 No 2Feb 2023收稿日期:2022 03 23基金项目:国家高技术船舶科研项目(MC-202014-S01)作者简介:崔郎郎(1982 )，男，陕西清涧人，主要从事大型海工、建材、矿山等机械装备技术方面的研究。E-mail:cuilanglang2022163 comDOI:10 3969/j issn 1001 4551 2023 02 005液压打桩锤环形阀组结构强度分析*崔郎郎1，许梦凯2，黄增3，王春雨2，周海勇3，曹立钢1，张晓松3(1 中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳 471003;2 燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004;3 上海海岳液压机电工程有限公司，上海 200031)摘要:液压打桩锤的核心部件是环形阀组，由于环形阀组在工作过程中受力复杂，易于受到破坏，针对这一问题，对球墨铸铁和35CrMoV 两种材料的环形阀组进行了有限元分析和模态分析。首先，针对环形阀组的三维实体模型，分析了其工作原理;然后，结合液压打桩锤的结构进行了仿真边界设定，采用 ANSYS 软件中的 Workbench 仿真平台，进行了 3 种不同工况下的静力学分析和不同材料的模态分析;最后，通过对比分析两种材料环形阀组的应力变形大小及共振频率特征，得出了不同材质和不同工况对环形阀组可靠性影响的规律。研究结果表明:环形阀组的结构强度可以满足使用要求，相比于球墨铸铁，35CrMoV 材质的环形阀组变形量最多可减小 0 04 mm，可靠性更高;由仿真得到环形阀组结构的薄弱位置，以及 1 000 Hz 1 700 Hz 的危险频率区间，这可为环形阀组后续的优化研究奠定基础。关键词:液压阀块材质;阀块性能;液压阀组;静力学分析;模态分析;环形阀组可靠性中图分类号:TH137 52;TU67文献标识码:A文章编号:1001 4551(2023)02 0195 09Structural strength analysis of annular valve groupof hydraulic pile hammerCUI Lang-lang1，XU Meng-kai2，HUANG Zeng3，WANG Chun-yu2，ZHOU Hai-yong3，CAO Li-gang1，ZHANG Xiao-song3(1 Citic Heavy Industries Co，Ltd，Luoyang 471003，China;2 School of Mechanical Engineering，YanshanUniversity，Qinhuangdao 066004，China;3 Shanghai Haiyue hydraulic mechanical and Electrical EngineeringCo，Ltd，Shanghai 200031，China)Abstract:Aiming at the problem that the annular valve group，the core part of the hydraulic pile hammer，was easy to be destroyed due toits complex force，the finite element analysis and modal analysis of the annular valve group made of nodular cast-iron and 35CrMoV werecarried out Firstly，the working principle of the three-dimensional solid model of the annular valve set was analyzed Then，the simulationboundary was set based on the structure of the hydraulic pile hammer，and ANSYS Workbench was used as a simulation platform for threedifferent working conditions of statics analysis and modal analysis of different materials Finally，by comparing the stress deformation andresonance frequency characteristics of two kinds of materials for annular valve groups，the influence of different materials and workingconditions on the reliability of the annular valve group were analyzed The research results show that the structural strength of the annularvalve group can meet the requirements of use Comparing with nodular cast-iron，the deformation of 35CrMoV annular valve group can bereduced by 0 04 mm at most and the reliability is higher The weak position of the annular valve group structure and the dangerous frequencyrange of 1 000 Hz 1 700 Hz are obtained by simulation，which can lay a foundation for the subsequent optimization researchKey words:hydraulic valve block material;valve block performance;hydraulic valve group;static analysis;modal analysis;annular valvegroup reliability0引言在打桩锤的打桩过程中，打桩锤产生的振动会传递至液压阀组，对阀组，尤其是加装在阀组上的各类液压元件产生较大的不利影响;同时，各种负载力也会对阀组的可靠性产生一定的影响1-2。因此，打桩机的液压阀组的结构设计和材料选用成为当下的研究热点。通过对现有产品的液压阀组进行分析，发现不同工况和材质对液压阀组可靠性的影响，可以为其后续结构优化设计提供参考。就液压阀组的结构设计而言，目前有多家企业或研究机构的科研人员都提出了许多方法。郑建丰等人3 在液压阀组设计中，提出了一种基于质量功能展开(quality function deployment，QFD)的液压阀组设计方法，这为并行过程的开展提供了载体。卢志学等人4 采用 Fluent 软件对阀组内部流道进行了流场仿真分析，对阀组内部流道进行了结构优化。徐志刚5 提出了一种迈步自移机尾阀后补偿式四联同步换向阀组，并采用静态理论分析、机构优化设计、动态模拟仿真相结合的方式，对该阀组进行了优化，提高了阀组的集成度，使阀组具有了管路少、结构紧凑、外形尺寸小、便于维修更换等优点。熊壮等人6-7 基于液压单元回路集成的思想，构造了集成块内部管网连通的规则库，并采用一种简易的校验算法对阀块内部孔道的干涉进行了检查，完成了集成块的计算机辅助设计。张军辉等人8 采用增材制造的加工方式对阀组进行了设计加工，并运用仿真软件进行了验证。调查发现，在目前针对阀组的研究中，研究人员并没有仔细考虑阀块材质对阀块性能的影响。因此，有必要展开液压阀块的材质对阀块性能影响的研究。除液压阀组的结构设计之外，液压阀组的受力分析同样是各大企业和机构科研人员的关注热点之一。王晓华等人9 对集成液压阀块的设计要点和注意事项进行了分析和总结。胡峰等人10 采用 ANSYS对目标元件进行了自动网格划分，并结合其安装方式，对液压阀块进行了载荷分析。方波等人11 采用ANSYS 软件，对外啮合齿轮泵泵体进行了有限元分析，并对其结构进行了优化。刘丹12 采用有限元软件，对阀块的应力及应变进行了分析，根据阀块的结构形式和受力情况，建立了其整体的分析模型，并应用Generatemesh 方式划分了其网格。张晋13 采用 Fluent软件，对液压阀内部流体进行了流场分析和压力场分析。周海勇等人14 采用有限元分析的方法，对船用液压阀块进行了应力分析和强度校核，以确保阀块的可靠性。于占忠15 采用 Solidworks Simulation 软件，对调压阀组阀门不同工作状态下的整体强度进行了有限元分析。潘国雄等人16 以液压管路的阀组单元为研究对象，采用有限元软件 ANSYS，建立了阀组的结构模型，计算了阀组单元结构在不同频率载荷激励下的振动响应频谱，分析了安装间距、阀架阀臂长度、斜撑位置、隔振器安装等制造工艺参数对其声学性能的影响，并将仿真与试验测试结果的响应频谱进行了对比分析。除了针对液压阀组的研究以外，国外学者同样采用有限元分析法，分别对液压挖掘机17-20 和汽车座椅21 的强度性能进行了分析和验证。调查发现，大量学者在利用相关软件对液压阀组零件进行受力分析时，并没有考虑零件的全部工况以及共振频率，因此，上述研究仍存在一些不足之处。笔者通过对当前液压阀组结构可靠性分析方法进行调研，基于一种新型的环形阀组结构，利用有限元分析方法对设计的环形阀组进行强度分析，对比不同材料的差别，并对阀组进行模态分析，为阀组进一步改进设计以及样机实验提供理论依据。1环形阀组结构笔者设计了一种新型的插装式环形阀组，环形阀组的装配图如图 1 所示。图 1环形阀组装配图打桩锤液压回路原理图如图 2 所示。环形阀组插装阀如图 3 所示。图 3 中:在该环形阀组中插装有 S 阀，S 阀为补偿阀，在系统中起到瞬态反弹补油与缓冲的作用;在该环形阀组中插装有 阀，阀为回油阀，在系统中起到特征腔排油的作用;在该环形阀组中插装有 P 阀，P 阀691机电工程第 40 卷图 2打桩锤液压回路原理图图 3环形阀组插装阀S 阀补偿阀;阀回油阀;T 口回油口;P阀进油阀;P 口进油口为进油阀，在系统中起到特征腔进油的作用。打桩锤工作原理如下:(1)在打桩锤提升阶段，P 阀的先导阀电磁铁得电，阀的先导阀电磁铁失电，油液经过 P 阀流经环形阀组进入环形腔，使锤体提升;(2)在打桩锤下落阶段，阀的先导阀电磁铁得电，P 阀的先导阀电磁铁失电，环形腔中的油液经 阀流出，使锤体下落;(3)在锤体打桩瞬间，会产生回弹，此时油液经过 S 阀进行补油。2环形阀组受力分析2 1仿真模型建立笔者首先搭建了物理模型，环形阀组三维模型如图 4 所示。图 4环形阀组三维模型图 4 中，根据环形阀组的具体结构，笔者采用SolidWorks 软件建立了其三维模型，并导出“x_t”格式文件，利用 ANSYS Workbench 对其进行了仿真分析。笔者对环形阀组进行了网格划分，环形阀组网格划分效果图如图 5 所示。图 5环形阀组网格划分效果图791第 2 期崔郎郎，等:液压打桩锤环形阀组结构强度分析考虑到仿真模拟的效率与仿真结果的可靠性，笔者将网格大小设置为2 cm，并将网格中 Transition 属性设置为 Slow，以提高网格过渡部分的均匀性，以及仿真结果的可靠性。最终得到的节点数为 3 845 153 个，网格单元个数 2 689 186 个。环形阀组边界条件图如图 6 所示。图 6环形阀组边界条件图图 6 中:根据打桩机结构，笔者对环形阀组上下法兰面及螺栓孔部分施加固定约束，作为边界条件;考虑到环形阀组上安装阀类零件的螺栓孔被螺栓限制变形，近似刚性约束，所以对安装阀类零件的螺栓孔同样施加了固定约束作为边界条件。环形阀组受力方向图如图 7 所示。图 7环形阀组受力方向图之后，笔者对不受工作状况变化影响的负载力、重力等进行统一设置:首先是环形阀组自身的重力，取重力加速度大小为 9 8 m/s2，方向竖直向下，施加环形阀组自身重力;再根据环形阀组上安装的各类阀类零件的质量，对环形阀组施加相应作用力，同样取重力加速度大小为9 8 m/s2，方向竖直向下，箭头代表方向。环形阀组受压力及反作用力视图如图 8 所示。在打桩锤实际结构中，环形阀组处于中间位置，环形阀组上方还装有其他元件。在考虑具体元件重量基础上，笔者取重力加速度大小为 9 8 m/s2，方向竖直向下，对环形阀组上表面施加大小近似为 5 106N 的作用力;考虑到反作用力的图 8环形阀组受压力及反作用力视图影响，又在环形阀组下表面同样施加大小为 5 106N的作用力。环形阀组的材料参数如表 1 所示。表 1材料参数材料密度/(kgm3)弹性模量/MPa泊松比球墨铸铁7 3001 55 1050 2735CrMoV7 8502 12 1050 31具体仿真参数如表 2 所示表 2仿真参数参数/单位数值静力学分析网格大小/cm2静力学分析网格数量/个2 689 186模态分析网格大小/cm3模态分析网格数量/个1 844 419供油压力/MPa35回油压力/MPa2上表面施加作用力/N5 106下表面施加作用力/N5 106重力加速度/(ms2)9 82 2上升工况分析环形阀组所受油压示意图如图 9 所示。根据液压回路原理图，笔者分析得出了在打桩锤提升阶段，油液在环形阀组内的进回油管路，并对压力油路施加大小为 35 MPa 的压强，对回油管路施加以大小为 2 MPa 的压强。材料为球墨铸铁时的应变应力如图 10 所示。891机电工程第 40 卷图 9环形阀组所受油压示意图图 10材料为球墨铸铁时的应变应力图由图 10 可见:最大变形点出现在油路与缸筒相交部位，最大变形量为 0 15 mm;最大应力点出现在两条高压油路的相交部位，数值大小为 287 5 MPa。材料为 35CrMoV 时的应变及应力如图 11 所示。由图 11 可见:最大变形点位同样出现在油路与缸筒相交部位，最大变形量为 0 11 mm;最大应力点出现在两条高压油路的相交部位，数值大小为 285 MPa。通过上述分析，可以得到以下结论:(1)通过分析应变云图可知:最大变形位置出现在油路与缸筒相交部位。材料为球墨铸铁时，该位置变形量达015 mm，这是因为该位置处的壁厚过薄，从而导致受力时变形量过大。在之后的优化阶段考虑可改变 A 口对应的油路的倾斜角度，从而达到增大壁厚的目的;图 11材料为 35CrMoV 时的应变及应力图(2)通过分析应力云图可知:最大应力点出现在两条高压油路的相交部位，由局部放大图可以得知:由于管路相交，从而使该处形成薄壁组织，导致在薄壁尖点位置出现应力集中的现象。在之后的优化阶段，考虑将管路中相交所形成的薄壁位置修改成圆角过渡的形式，从而消除应力集中的现象;(3)在提升阶段，通过分析球墨铸铁和 35CrMoV两种材料的仿真云图可知:相比于球墨铸铁，由于35CrMoV 的刚度更高，在应力大小几乎相同的情况下，其变形量更小。2 3下落工况分析环形阀组所受油压的示意图如图 12 所示。图 12环形阀组所受油压示意图991第 2 期崔郎郎，等:液压打桩锤环形阀组结构强度分析分析液压回路原理图可知:在打桩锤下落阶段，油液在环形阀组内的进回油管路中，对压力油路施加大小为35 MPa 的压强，对回油管路施加以大小为2 MPa 的压强。材料为球墨铸铁时的应变及应力如图 13 所示。图 13材料为球墨铸铁时的应变及应力图由图13 可知:最大变形点位出现在环形阀组上表面的高压油路与缸筒之间部分，最大变形量为0073 mm;最大应力点出现在两条高压油路的相交部位，其数值大小为 290 8 MPa。材料为 35CrMoV 时的应变及应力如图 14 所示。图 14材料为 35CrMoV 时的应变及应力图由图 14 可知:最大变形点位同样出现在环形阀组上表面的高压油路与缸筒之间部分，最大变形量为0 054 mm;最大应力点出现在两条高压油路的相交部位，其数值大小为 290 MPa。通过上述分析，可以得到以下结论:(1)在下落阶段，由于环形阀组内管路压力分配较提升阶段有所改变，应变及应力云图有所改变。分析应变云图可知，当材料为球墨铸铁时最大变形量为0 073 mm，变形量很小，这是因为高压油路没有单独作用在薄壁组织的一侧;(2)通过分析应力云图可知:最大应力点出现在两条高压油路的相交部位。经对比可知，该位置与提升阶段的位置相同，且该位置产生最大应力的原因与上节所述相同，故笔者在后续阶段采取相同优化方法进行优化处理;(3)在提升阶段，通过分析球墨铸铁和 35CrMoV两种材料的仿真云图可知:在下落阶段，由于变形量很小，所以相较于材料球墨铸铁，材料 35CrMoV 对环形阀组变形量减小的效果不是很明显，但对环形阀组的可靠性仍具有小幅提升作用。2 4补油工况分析环形阀组所受油压示意图如图 15 所示。图 15环形阀组所受油压示意图通过分析液压回路原理图可知:在打桩锤补油阶段，油液在环形阀组内的进回油管路中，对压力油路施加了大小为 35 MPa 的压强，对回油管路施加了大小为2 MPa 的压强。材料为球墨铸铁时的应变及应力如图 16 所示。由图 16 可知:最大变形点位出现在环形阀组上表002机电工程第 40 卷图 16材料为球墨铸铁时的应变及应力图面的 高 压 油 路 与 缸 筒 之 间 部 分，最 大 变 形 量 为0 073 mm;最大应力点出现在两条高压油路的相交部位，其数值大小为 290 8 MPa。材料为 35CrMoV 时的应变及应力如图 17 所示。图 17材料为 35CrMoV 时的应变及应力图由图 17 可知:最大变形点位同样出现在环形阀组上表面的高压油路与缸筒之间部分，最大变形量为0 054 mm;最大应力点出现在两条高压油路的相交部位，其数值大小为 290 MPa。通过上述分析，可以得到以下结论:在下落阶段和补油阶段，通过仿真对比环形阀组可知:在这两个阶段中，环形阀组内部流道压力分布很相似，二者的应变和应力云图几乎一致，最大变形量与最大应力也几乎相等。3模态分析3 1仿真参数环形阀组网格划分效果图如图 18 所示。图 18环形阀组网格划分效果图由于模态分析仿真所需内存空间较大，考虑到效率问题，笔者将网格大小设置为 3 cm，并将网格中Transition 属性设置为 Slow，以提高网格过渡部分的均匀性，以及仿真结果的可靠性，最终得到节点数2 619 412个，网格单元个数 1 844 419 个。模态分析是对结构的共振频率进行分析，属于结构本身固有特性，所以只需要施加固定约束，不需要根据不同工况施加载荷。模态分析的固定约束与静力学分析时一致(如图 6 所示)。笔者在 Analysis Settings 的 Options 中，设置 MaxModels to Find 为 6，即可对环形阀组的 6 阶固有频率进行分析。3 2模态分析结果材料为球墨铸铁时的固有频率如图 19 所示。图 19材料为球墨铸铁时的固有频率图19 中，笔者对环形阀组六阶模态进行分析，其中，一阶模态较为重要，一阶模态共振频率为10645 Hz。材料为球墨铸铁时，一阶频率下环形阀组变形如图 20 所示。由图20 可见:在一阶共振频率下，由球墨铸铁制成的环形阀组会发生近18 cm 的较大变形，导致阀组损坏。材料为 35CrMoV 时的固有频率如图 21 所示。当材料为 35CrMoV 时，笔者对环形阀组进行模态102第 2 期崔郎郎，等:液压打桩锤环形阀组结构强度分析图 20材料为球墨铸铁时一阶频率下环形阀组变形图 21材料为 35CrMoV 时的固有频率分析，得到的一阶模态共振频率为 1 196 3 Hz。材料为 35CrMoV 时，一阶频率下环形阀组变形如图 22 所示。图 22材料为 35CrMoV 时一阶频率下环形阀组变形由图 22 可见:在一阶共振频率下，由 35CrMoV 制成的环形阀组会发生近 1 7 cm 的较大变形;由球墨铸铁和 35CrMoV 两种材料的环形阀组的模态分析结果可以得知:两种材料下的一阶频率都达1 000 Hz 以上。但是，在实际工作过程中，并不会出现上述如此高的振动频率，所以由这两种材料制成的环形阀组仍可满足安全使用要求22，23。4结束语由于环形阀组在工作过程中受力复杂，易于受到破坏，为此，在环形阀组实际工作中的 3 种不同工况下，笔者对球墨铸铁和 35CrMoV 两种材料的环形阀组进行了有限元分析和模态分析，对比分析了球墨铸铁和 35CrMoV 两种材料对环形阀组可靠性的影响规律。研究结果表明:(1)在相同工况下，材料 35CrMoV 可以有效地增强环形阀组的抗变形能力，使其可靠性得到提升;笔者通过分析不同工况下的环形阀组总变形和应力情况，得出了对应的优化解决方案;(2)两种材料的一阶共振频率均达到 1 000 Hz 以上，当环形阀组处于该频率下时，会产生较大变形，需避免该类情况的发生;但笔者结合实际分析发现，不会出现如此高频的工况，因此，环形阀组不会发生共振破坏。在下一阶段，笔者将会制作出液压阀组样本，并进行样本实验，从而验证该环形阀组的各项性能。参考文献(eferences):1房芳，郑辉，汪玉，等 机械结构健康监测综述 J 机械工程学报，2021，57(16):269-292 2 宋智文 机械组合结构刚度评价及快速匹配方法研究 D 太原:中北大学机械工程学院，2020 3 郑建丰，梁帮修，曹忠祥 QFD 在液压阀组设计中的应用研究 J 机械设计与制造，2019(6):136-138 4 卢志学，贺电，徐周 基于 Fluent 的混凝土泵车联通阀组流道仿真分析与试验研究J 液压与气动，2020(10):127-131 5 徐志刚 迈步自移机尾阀后补偿四联同步阀组的设计与研究 J 煤矿机械，2019，40(8):16-19 6 熊壮，喻道远，刘建群，等 液压集成块的计算机辅助设计 J 机械与电子，1999(4):39-41 7 熊壮，喻道远，段正澄 液压集成块内部孔系的自动校验 J 机床与液压，1998(5):52-53 8张军辉，刘淦，郑神 金属增材制造液压阀块内部流道优化设计研究 J 液压与气动，2019，43(1):21-25 9 王晓华，高敬成 液压集成块的设计要点J 液压与气动，2014，38(3):99-100202机电工程第 40 卷 10 胡峰，蒋廉华，曾春军 基于 UG/ANSYS Workbench 的液压阀块协同设计与分析J 技术与市场，2016，23(5):91-92 11 方波，杨丽华，屈盛官，等 基于 ANSYS Workbench 的外啮合齿轮泵泵体有限元分析及优化J 液压与气动，2021，45(1):140-145 12 刘丹 液压阀块设计与应力分析J 液压气动与密封，2013，33(1):24-25 13 张晋，黄橙橙，程逾豪，等 节流口结构对超高压插装阀液流特性的影响J 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