钻井泵活塞缸套密封系统密封性能流-固耦合分析*

现有的关于钻井泵活塞皮碗受力情况的相关研究,大多忽略了钻井泵工作过程中活塞缸套与钻井液的流-固耦合作用,得出的结论与实际的受力特性有一定的差别。为研究活塞皮碗的受力情况,通过建立活塞缸套的有限元模型,采用流-固耦合方法来模拟活塞缸套受力特性,同时探讨皮碗过盈量以及唇角尺寸对其密封性能的影响。仿真结果表明：缸套与皮碗接触面之间受力变化规律与缸套内压力变化规律相似;在最大工作压力作用下,缸套内表面和垫圈表面与皮碗接触部位等效应力都较大,但相较于缸套和垫圈,皮碗是活塞密封中最易失效的部件;皮碗的应力主要集中在活塞皮碗的唇部及根部与垫圈接触处,而这也是皮碗易发生失效的2个部位;当皮碗过盈量大于1.0 mm,唇角大于15°时,皮碗唇部会产生向心效应,进而影响皮碗的密封性能。     

发动机活塞销孔受力分析及改善

活塞是发动机中最重要的零部件之一,工作中要承受周期性热负荷和机械负荷冲击,活塞的工作状态直接决定着发动机的使用寿命,高温、高压的工作环境使承载最大机械应力的活塞销孔部位面临着更大的考验。随着发动机性能的日益提高,活塞所承受的燃气压力和惯性力不断增大,作为支撑部分的活塞销孔负荷显著增加,在最高燃烧压力下,活塞销轴和销孔都会发生弯曲变形,活塞销与活塞销孔之间的摩擦还产生着高温负荷。因此有必要对活塞销孔处进行有限元分析,通过改变销孔的几何结构来改善应力分布情况,降低销孔内侧应力集中,提高活塞的承载能力。     

无垫片焊唇密封法兰螺栓载荷的分析与计算

分析了无垫片焊唇密封元件---焊环在承受介质压力载荷时的受力及径向位移状况;指出现行设计规定的螺栓载荷不能约束焊环的径向位移,焊环与法兰的连接焊缝承受了焊环的径向拉力;提出了由螺栓载荷平衡焊环与法兰之间静摩擦力和介质的压力载荷;并给出了螺栓载荷的计算方法。此外,还分析了高温下焊环与法兰存在热膨胀差时,焊环的受力及径向位移状况,提出了采用热当量压力计算螺栓载荷的方法。     

某发动机活塞强度与疲劳分析

建立包括活塞、连杆和缸套等构件的有限元模型,较真实地模拟了活塞在工作过程中的受力特征,对活塞等构件进行热机耦合分析,建立了考虑活塞与活塞销、活塞销与衬套、活塞裙部与缸套之间的油膜接触及压力计算模型。此外,发动机整机动力分析还为活塞强度分析提供不同曲柄角下的荷载及加速度信息。实际工程应用表明,该方法实用、可行,计算结果与实测一致,所建立的计算模型能准确反映活塞的真实工作状况,对活塞裙部压力、关键部位应力与疲劳可以进行定量评估,为发动机活塞的优化设计提供基础数据。     

顶张式立管液压连接器密封结构承载能力分析

针对500 m水深顶张式立管,设计液压连接器模型,对拉、压、弯等各种受力状态进行分析,提出液压连接器密封结构在拉、压、弯等状态下可承受最大载荷的计算方法。液压连接器密封结构可承受的最大拉力取决于锁块危险截面的强度和锁块的伸长量;可承受的最大压力取决于金属密封圈的抗压强度与结构参数;可承受的最大弯矩取决于受拉最严重的锁块和受压最严重的金属密封圈部分。对液压连接器密封结构承载能力的分析,有助于对液压连接器整体承载能力的分析研究。     

基于有限元法的某型履带结构强度分析

车辆直线行驶时,履带承受车体重量、履带板之间的拉力;转向时,还承受来自地面的摩擦力矩;负重轮离地时,负重轮对履带板的垂直载荷会发生改变。为分析履带的受力情况,建立了履带有限元模型,对履带进行强度计算,分析履带零部件应力和变形的分布情况,找到了零部件发生最大应力和最大变形的位置。仿真结果表明,六个负重轮离地时,履带端联器孔边缘处出现的应力最大,小于材料的许用应力,满足设计要求,为履带板的结构优化设计提供依据。     

真空输纸技术中纸张的力学行为研究

为提高真空输纸性能,对真空输纸装置中纸张的应力分布和承受侧规拉力的作用机理进行了研究。由于柔性薄片纸张受力屈曲具有几何非线性的特点,提出了真空输纸技术中纸张力学行为的显式动力学数值分析方法。基于LSDYNA壳单元研究了纸张在负压和侧规拉力加载过程中纸面应力的分布和变化规律,分析得出了孔径15mm负压12000Pa时,吸附纸张被拉动的临界侧规拉力为0.6N。结果表明:负压加载过程中,纸面应力呈环形分布,最大应力发生在纸张与孔边界接触区域;侧规拉力加载过程中,环形应力区域被破坏,应力分布延伸至整张纸面。     

内燃机活塞销的应力、应变计算分析

内燃机活塞工作时顶部承受很大的气体压力,它们通过活塞销座传给活塞销,再传给连杆。因此活塞销必须有足够的强度和耐磨性,随着内燃机不断强化,对活塞销强度的要求越来越高,对其进行强度分析也显得更为重要,特别是为活塞销开发提供理论支持;采用有限元分析软件计算模拟的方法在经验数据及基础理论的基础上建立计算模型对活塞销进行进行应力、应变计算分析,并通过相关试验结果进行模型验证;结果表明在气缸爆发压力16.5MPa条件下,活塞销材料满足强度与变形要求。     

基于有限元的并联机床整机静力特性分析

分析了并联机床承受静力时的受力特点.通过应用ANSYS有限元软件对并联机床整机进行了静力分析,研究机床在特定位姿时不同受力情况下的应力应变及其分布特性,得出了机床机架和整机在不同位姿时的应力应变图,分析了机床应力分布规律.并确定了机床的薄弱部位,为结构优化提供理论依据.     

刮板输送机中部槽结构分析与优化设计

为了提升刮板输送机中部槽的使用效率,采用ANSYS数值模拟软件对中部槽的应力分布进行优化分析,发现中部槽在推移耳处应力最大.通过拓扑优化的方法对刮板输送机中部槽进行优化设计,并对优化设计后的中部槽进行受力分析,发现优化后中部槽在降低材料尺寸后仍能满足应力要求,实现了降材增效的目的 ,为刮板输送机的优化设计提供参考.     

活塞连杆机构运动分析及活塞结构优化

活塞连杆机构是内燃机的动力传递部件,设计质量的好坏直接关系到整台机器的运行,而活塞承受交变的机械载荷和热载荷作用,是活塞连杆机构中工作条件最恶劣的零件。分别应用Pro/Mechanism和Pro/Mechanica对活塞连杆机构进行运动分析,确定活塞危险应力及应力集中位置,并对活塞结构进行了优化设计。该方法对于提高活塞连杆机构的设计质量,延长产品使用寿命,具有重要的作用。     

船用星型压缩机曲柄连杆机构布置方案的优化分析

根据星型往复式压缩机的结构和工作特点,对压缩机进行了热力学和动力学分析,得到了压缩机在正常运转中的压缩腔内的压力。提出了星型压缩机曲柄连杆机构的6种布置方案,对比了不同曲柄连杆机构布置方案的动力学特性,得到了不同布置方案下的曲柄连杆上的作用力。通过分析发现:对于四星型压缩机,四级连杆按活塞力较大的两列对置,活塞力较小的两列对置,且由活塞力最大转向活塞力最小的布置方案时,星型压缩机的受力状况最佳。     

计入活塞混合润滑的内燃机连杆瞬态响应分析

对计入活塞混合润滑的连杆进行了全周期瞬态响应分析。首先在给出混合润滑雷诺方程的基础上，利用自编有限元软件分析了活塞的二阶运动，并借助联立约束法，实现了连杆、活塞和曲柄的动力学耦合求解；然后，把求解得到的连杆质心加速度及其小头受力转化为工程软件ANSYS的载荷表形式，利用ANSYS求解器，实现了全周期下连杆瞬态响应仿真。仿真结果表明：在全周期下，连杆所受的最大和最小应力点和值是变化的，最大应力主要集中在连杆中下部两端边缘。上述分析方法克服了静态分析的不足，所得结论更加接近连杆的实际工况。     

二甲醚发动机活塞二阶运动-润滑耦合模型建立及数值分析

通过改造潍柴WP6发动机的供油、燃烧系统,开发出一台二甲醚发动机。试验采集二甲醚发动机燃烧参数,针对活塞运动和润滑分析,建立活塞裙部系统以及由曲轴、连杆、活塞组成的多体系统的耦合润滑模型。基于拉格朗日乘子法建立多体动力学方程,并采用有限单元法对润滑模型进行求解。将耦合计算结果与实验对比,验证模型准确性。根据现有二甲醚发动机活塞裙部的结构参数,研究不同活塞结构参数对敲缸及润滑的影响。结果表明,活塞间隙越小时,活塞二阶运动的空间越小,导致敲缸现象减弱,磨损降低,但较小的间隙会产生比较高的油膜剪切力,微凸体表面接触也会加剧,引起较大的摩擦力及摩擦功耗;活塞裙桶形面最高点的位置也会影响活塞裙-缸套系统的运动和润滑特性;桶形面与活塞销中心的距离越小越容易满足力与力矩平衡条件,有利于降低敲缸以及摩擦损耗。     

轴向柱塞泵滑靴的动力学特性仿真分析

滑靴与斜盘、柱塞、回程盘之间的配合是保证柱塞泵正常工作的重要条件,滑靴的磨损失效会影响与之配合零件的正常工作。首先对A4VG125型柱塞泵滑靴进行理论受力分析,应用SimulationX建立柱塞泵的一维液压模型和三维MBS模型,仿真柱塞底部所受液压力。然后与ADAMS和ANSYS建立的柱塞泵动力学模型进行联合,完成柱塞泵的刚柔与液固耦合仿真模型。在仿真工作参数作用下,研究滑靴与斜盘、柱塞、回程盘之间摩擦副的动力学特性。结果表明:当斜盘倾角增大、主轴转速提高时,对滑靴总体的受力/力矩情况影响较大;滑靴与柱塞之间的球铰副受工作参数变化影响较为明显,受力/力矩波动较为严重。     

活塞顶面热障涂层对活塞热负荷的影响

活塞顶面热障涂层可以有效降低活塞工作热负荷、提高活塞使用寿命。以一款非道路高压共轨柴油机铝合金活塞为研究对象,采用硬度塞测温法试验测试了无热障涂层活塞在最大转矩工况下表面19个特征点的温度值,同时采用等参法建立了活塞有限元仿真分析模型,对比分析了活塞顶面热障涂层对活塞温度场和热应力场的影响。研究结果表明：活塞顶面热障涂层能有效降低活塞头部和环槽区域的工作温度,活塞头部顶面区域温度下降幅度为20~32 ℃,一环和二环的环槽区域温度下降幅度为15~18 ℃;但活塞顶面采用热障涂层后,活塞基体顶面黏结层区域的热应力会急剧升高,活塞基体顶面、喉口区域以及边缘棱角处热应力集中现象明显,在活塞顶面喉口黏结层区域最大热应力达到291MPa,易导致热障涂层的剥落失效。     

活塞式水下力传感器压力平衡装置力学特性分析

以深海活塞式力传感器为研究对象,基于液体的可压缩性,推导出活塞补偿器油液体积变化与仪器工作水深以及内外压差之间的关系式,并给出内外压差的计算方法。基于MATLAB软件对活塞式压力平衡装置进行静态和动态分析,以充油式深海压力传感器为例,推导出活塞的爬行现象与O形圈截面直径、预压缩率、摩擦因数、活塞质量之间的关系。研究结果表明,减小O形圈截面直径、预压缩率、摩擦因数、活塞质量均有助于改善爬行特性。总结了活塞式压力平衡装置结构的设计原则。     

汽车磁流变减振器设计准则探讨

提出了微型汽车磁流变减振器的设计准则,建立了磁流变减振器的理论分析模型来预估减振器阻尼力的大小。测试结果表明,减振器的阻尼力由粘性阻尼力和磁场阻尼力组成,随着磁场强度的增加,减振器的阻尼力也增大,基本上符合理论预估值,说明所建立的理论分析模型是可行的。     

活塞偏心倾斜对双筒液压减振器动态阻尼特性影响分析*

考虑活塞偏心和倾斜后活塞与缸筒之间的摩擦与润滑因素,研究充气式双筒液压减振器动态阻尼特性;建立活塞偏心和倾斜的双筒式液压减振器的动态阻尼特性数学模型和动压润滑方程,求解减振器动态阻尼特性数学方程;采用雷诺空化边界条件,对Reynolds方程采用五点差分法进行离散,利用超松弛迭代法(SOR)迭代求解,得到摩擦阻尼力;分析活塞偏心距比、活塞倾斜角度,活塞倾斜时活塞运动速度、活塞半径、活塞宽度等因素对摩擦阻尼的影响,以及各摩擦因素对减振器动态阻尼特性的影响。结果表明:活塞偏心和倾斜时,随活塞速度、偏心距比、活塞倾斜角度、活塞宽度等的增加,减振器活塞与缸筒之间的油膜摩擦力均增加,而随活塞半径的增加,油膜摩擦力减小。减振器活塞发生倾斜时,会造成阻尼力的大幅增加,严重影响车辆行驶的舒适性能,且活塞速度越快,对舒适性影响越严重。     

自由活塞斯特林发动机动力活塞气体作用效应

为了能够深入认识自由活塞斯特林发动机动力活塞的运行特性,找到提高自由活塞斯特林发动机效率的方法,对配气活塞固定不动时的动力活塞的气体作用效应进行了理论分析,并设计了动力活塞的单独运动实验,在此基础上提出了动力活塞自然频率的计算公式。研究了压缩腔压力波超前与滞后动力活塞位移两种情况下动力活塞受到的气体力的作用情况,采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时,一部分气体力发挥了气体弹簧的作用,使系统自然频率增大;当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时,一部分气体力发挥了惯性力的作用,使系统自然频率减小,且热源温度越高,系统的自然频率越大。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验,验证了上述气体力作用的效应与规律,利用此理论计算系统自然频率和实验相差不超过2%,使得斯特林发动机成功启动。