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擺動(dòng)液壓馬達(dá)又稱擺動(dòng)液壓缸，它是液壓負(fù)載模擬器及飛行姿態(tài)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)中最重要的執(zhí)行元件之一它是輸出軸能作往復(fù)擺動(dòng)的液壓執(zhí)行元件，輸入量是壓力和流量，輸出量是轉(zhuǎn)矩和角速度、角位移，旋轉(zhuǎn)角一般小于360°。擺動(dòng)液壓馬達(dá)最突出的優(yōu)點(diǎn)是能使負(fù)載從直線運(yùn)動(dòng)直接獲得往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，無需任何變速機(jī)構(gòu)。由于能使輸出軸在較低的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生很大的扭矩、平穩(wěn)的角速度、角位移，馬達(dá)所產(chǎn)生的扭矩與質(zhì)量和尺寸比值是很高的，可以說擺動(dòng)液壓馬達(dá)是把壓力能轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)矩最合理和最緊湊的裝置。按結(jié)構(gòu)形式分類，擺動(dòng)液壓馬達(dá)大體可分為葉片式和活塞式兩大類。葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造相對(duì)容易，工作可靠等獲得到了非常廣泛的應(yīng)用。
ANSYS Workbench軟件是美國(guó)某公司開發(fā)的新一代協(xié)同仿真平臺(tái)。它提出的背景主要是傳統(tǒng)CAD軟件在設(shè)計(jì)研發(fā)中的不足，主要由DesignModeler、DesignSimulation、DesignXplorer三個(gè)模塊組成。集設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化于一體，便于設(shè)計(jì)人員隨時(shí)進(jìn)入不同功能模塊之間進(jìn)行雙向參數(shù)互動(dòng)調(diào)用，使仿真相關(guān)的人、部門、技術(shù)及數(shù)據(jù)在統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作，極大地提高了設(shè)計(jì)研發(fā)的效率。
本文以某鋼廠使用的葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)為對(duì)象，利用Pro/E軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模，并通過程序接口導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行有限元分析，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了馬達(dá)強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求，也為馬達(dá)的使用壽命和安全性實(shí)際提供了數(shù)值依據(jù)。
圖1為葉片擺動(dòng)液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。整個(gè)擺動(dòng)液壓馬達(dá)主要由花鍵軸1、前端蓋3與后端蓋9、缸體6馬達(dá)的其性能取決于液壓油力設(shè)計(jì)，也與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，其可靠性設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)擺動(dòng)液壓馬達(dá)的安全運(yùn)行及使用壽命有著重要影響。因此，對(duì)擺動(dòng)液壓馬達(dá)在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分析及變形進(jìn)行研究有重要的應(yīng)用價(jià)值。
系統(tǒng)剛度是葉片式擺動(dòng)馬達(dá)研制過程中面臨的主要問題之一。例如馬達(dá)缸體與花鍵軸變形大，將有可能導(dǎo)致泄漏加劇，進(jìn)而降低系統(tǒng)頻帶和剛性，最終影響馬達(dá)的容積效率，所以必須對(duì)其進(jìn)行合理選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在材料的選擇方面，馬達(dá)的葉片采用3Cr13，缸體和中花鍵軸均選用45鋼，材料較好的機(jī)械性能為馬達(dá)的剛性提供很好的基礎(chǔ)。馬達(dá)的強(qiáng)度分析的目的是計(jì)算馬達(dá)在工作載荷下的變形、應(yīng)力分布及最大應(yīng)力的大小，以檢驗(yàn)該馬達(dá)的設(shè)計(jì)能否滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。為了能對(duì)葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)的抗變形能力和強(qiáng)度有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，利用ANSYS軟件的強(qiáng)大結(jié)構(gòu)分析功能對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行有限元分析。
擺動(dòng)馬達(dá)總成三維實(shí)體模型在Pro/E軟件中完成，Pro/E軟件因其性能優(yōu)異且易用，極大地提高了機(jī)械設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有必要對(duì)其做簡(jiǎn)化處理，即去掉不影響結(jié)果的結(jié)構(gòu)，例如略去倒角。
網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，而且網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后對(duì)計(jì)算精度影響不大，所以網(wǎng)格數(shù)量有一定的合理性。借助Workbench自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將網(wǎng)格精度設(shè)置為高精度。網(wǎng)格劃分后的有限元模型共有63565個(gè)單元，98274個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖所示。
ANSYS支持3種接觸方式：點(diǎn)－點(diǎn)，點(diǎn)－面，面－面，每種接觸方式使用的接觸單元都適用于某類問題。此處葉片外表面與缸體內(nèi)壁、葉片內(nèi)壁與輸出軸表面采用面－面接觸的方式。在接觸問題中，更重要的是定義主面和從面，一般情況下選擇網(wǎng)格較細(xì)密的面為從面，如果主從面的網(wǎng)格密度大致相等，那么選擇剛度較小的面作為從面。由于葉片輸出軸與缸體的網(wǎng)格密度大致相同，但葉片的剛度更大，故選擇葉片表面為從面，缸體內(nèi)壁為主面。
(1)借助ANSYSWorkbench軟件可以清楚地看到擺動(dòng)液壓馬達(dá)應(yīng)力和整體位移分布情況，找到了應(yīng)力主要集中區(qū)域以及發(fā)生最大變形的位置。計(jì)算結(jié)果表明：該馬達(dá)強(qiáng)度滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。
(2)從馬達(dá)接觸狀態(tài)圖知，該馬達(dá)機(jī)械摩擦損失、馬達(dá)的啟動(dòng)特性、低速穩(wěn)定性較好，系統(tǒng)較穩(wěn)定。
(3)葉片式擺動(dòng)液壓馬達(dá)在滿載荷作用下有應(yīng)力集中作用，在靜葉片與動(dòng)葉片的密封槽內(nèi)及與左右端蓋接觸的邊緣處，為延長(zhǎng)擺動(dòng)液壓馬達(dá)的使用壽命，對(duì)危險(xiǎn)部位進(jìn)行一定的工藝處理是必要的。此外，通過實(shí)驗(yàn)的分析，驗(yàn)證了有限元方法的準(zhǔn)確性，也反映出擺動(dòng)液壓馬達(dá)在設(shè)計(jì)中的不足，為擺動(dòng)液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、提高它的性能提供了有利的數(shù)值指導(dǎo)。
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