盾构推进液压缸刚度有限元分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第4期(总第167期)机械工程与自动化No．42011年8月MECHANICALENGINEERING＆AUTOMATIONAug．文章编号：1672—6413(201i)04-0064—03盾构推进液压缸刚度有限元分析袁永盛(华东交通大学机电工程学院，江西南昌330013)摘要：以实际盾构推进液压缸为研究对象，通过Pro／E软件建立液压缸的三维模型，利用ANSYS软件建立了球铰的刚度与液压缸的刚度的有限元模型，得出液压缸刚度与载荷成线性比例的关系。为盾构推进机构的刚度分析和推进系统的设计提供了一定的基础。关键词：盾构；ANSYS；液压

2、缸；刚度中图分类号：U455．3+9：TBI15文献标识码：A0引言类型为Solid45，接触单元网格类型为Contact173，盾构是集开挖、支护、衬砌、出碴于一体的隧道定义球杆与球窝为接触单元，球铰底座为固定约束，施工专业设备。盾构实现隧道的开挖，主要是由以下在上端面施加大小为3X10。N的斜坡载荷，经求解两个运动完成：一是刀盘切削，一是盾体的推进。刀可得球铰的轴向变形位移结果，如图1(b)所示。盘的切削、盾体的推进均依靠支承环内大体等距布置在不同的载荷作用下，球铰的变形位移及相应的推进油缸[1]，因此，盾构推进液压缸必须为盾构前的刚度值如表I所示。进提供足够的动力，

3、控制盾构的姿态，实现盾构的纠表1球铰的载荷一变形偏及转向要求。液压缸在推进过程中的变形必然会对载荷O．61．21．82．43．OMN末端位姿产生影响，因此有必要对推进液压缸进行静变形0力学分析。．2l50．4040．5400．65l0．755mml液压缸的刚度计算模型刚度N／mm259000029700003333000368700039730001．1球铰的刚度模型图l(a)为盾构推进机构的球铰结构示意图，它刚度与载荷的对应关系如图2所示。主要由底座、端盖和球杆3部分组成。首先在Pro／E软件中对球铰建模，然后去掉对结构影响不大的边角等特征，如倒角、圆孔等。最后通过Pr

4、o／E中的ANSYS接口程序，将简化后的球铰模型导入ANSYS进行静力学分析，求其刚度。重O-0．253-0．4280123力／MN(a)球铰结构示意图(b)轴向变形位移图2球铰的刚度与载荷的对应关系图1球铰在ANSYS软件中，设置球铰各部分材料为钢，弹1．2液压油的刚度性模量为2．0×i0“Pa，泊松比为0．3，定义网格单元盾构推进液压缸的结构示意图如图3所示，它主收稿日期：2010-12—20；修回日期：2011—03—13作者简介：袁永(1987一)，男，江西宜春人，在读硕士研究生，研究方向：机构与机器人技术。学兔兔www.xuetutu.com2011年第4期袁永

5、盛：盾构推进液压缸刚度有限元分析·65·要由球铰、活塞杆和缸体组成。其中：k为液压缸的刚度；为球铰的刚度。在液压驱动机构静力学分析中，一般认为液压油2液压缸的有限元分析是刚性的、不可压缩的，只考虑杆件的变形。液压油选择分析类型为静力学，左边球铰端面固定约的体积模量K=1．4GPa~2GPa，而钢的体积模量为束，为了便于分析对比，给右边球铰端面施加相当于196GPa~-,206GPa，是液压油的100倍～150倍。在3×10eN的应力载荷。设定求解载荷步结束时间为lS，实际推进过程中，液压油的压缩量会对计算结果造成为了减少计算时间，设定子步数为12，ANSYS求解液压影响。

6、因此，在对其的静力学分析中，必须考虑液压缸的轴向位移云图和应力云图分别见图5和图6。油的刚度。图3推进液压缸结构示意图将液压油按弹簧来考虑，其刚度可以按下式计算[2]：EA-【毒+】。⋯．(1)其中：E为液压油的弹性模量；L为液压缸的有效行程；为无杆腔当量初位移；：为有杆腔当量初位移；A。为无杆腔横截面积；A：为有杆腔横截面积；为活塞的轴向位移；a、b为工况选择参数，正常掘进时，a=1，b=0；临近末端时，a=l，b=1。液压油刚度与液压缸的推进位置有关，当盾构正常掘进时，其刚度表现为随液压缸推进行程的增加而降低。1．3活塞杆的刚度活塞杆机构简图如图4所示，左端为连接球铰

7、处由图5和图6可知，液压缸在油液刚度保持不变的凹形阶梯台，右端为液压油密封环。由于左、右端的情况下，承受外载作用的主要变形为液压油的压不平整尺寸相对整体影响不大，故活塞杆刚度模型可缩，油缸在外载作用下的变形相对较小。以简化为长度为、横截面积为的均匀直杆，由材在液压缸有限元模型的横截面上取一些关键点，料力学可求解其刚度为：见图7。其中，E～E为活塞杆上的关键点，B～B3^=华。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2)为右端球铰所对应的面。其中：为活塞杆的弹性模量。图4活塞杆1图7液压缸截面图上的关键点1。4液压缸的计算刚度表2为在不同载