1、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
2、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
3、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 o
4、f 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 hydraul
5、ic 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
6、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
7、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 reli
8、ability 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 h
9、igher 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;stat
10、ic 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
11、(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
12、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，
13、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
14、、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
15、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
16、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