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液压部件的设计与使用


1、一方面安全系数设计法实际上并不安全,因为倘若事后的可靠性评价不满足要求会彻底推翻原始设计,延长研制周期;另一方面大重量体积会严重制约航空航天飞行器高速、高机动性的发展。因此,在航空航天关键零部件设计中,迫切需要将可靠性指标纳入设计需求中,通过综合考虑各种设计要素协同优化零部件各种性能指标,从而缩短研制周期,获得优良的综合性能。
2基于可靠性理论的一体化设计2.1正态分布的可靠性设计模型考虑到实际使用过程中零部件所承受的应力和材料强度是随时间变化的,基于可靠性理论的机械零部件设计方法是将设计参数以及决定元件应力和强度的因素随机化,通过概率进行设计的方法。
假设零部件所受应力s是服从密度函数为f(s)的随机变量,强度是服从密度函数为g的随机变量。
尽管当t=0时产品的应力分布和强度分布有一定的距离,不会产生故障。由于产品的材料强度是随时间变化的,随着时间的推移,材料强度退化最终会导致应力分布与强度分布发生干涉(图中阴影部分),从而导致零部件产生故障。机械零部件一般是服从正态分布。
假设某零部件具有n个参数且均服从正态分布为P 1(”p 1,p 1),P 2(”p 2,p 2),。。。,P n(”p n,p n),其中”p i,p i分别为参数p i的均值和标准差。设计特征值为V,满足以下关系:V=f(P 1,P 2,。。。,P n)(1)则特征值V的均值和方差为:(2)根据(2)式可以得出零部件特征值的可靠为:(3)令Z=(t-” V)/” V,则可以将(3)式变为如下标准正态分布:(4)根据Z查标准正态分布表即可求出产品的可靠度。
2.2基于可靠性的机械产品一体化设计一体化设计
是一种通过充分探索和利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应,应用有效的设计优化策略,获得产品整体性能最优解的设计方法。基于可靠性的一体化设计方法是将设计参数随机化,以产品性能为目标函数,可靠性指标为约束条件的优化,其中设计参数随机变量可以作为耦合参数在常用设计方法和可靠性设计软件间进行交互,从而实现结构性能与可靠性的综合优化。基于可靠性的机械产品一体化设计流程。
由ProE进行机械零部件的CAD设计,得到其结构参数设计结果。将结构参数随机化,开发Makefile工程文件,生成一个扩展名。dat的注册文件,实现与可靠性设计软件的接口。利用结构参数的随机化参数,采用应力-强度干涉模型进行可靠性设计与评价,并将评价结构及其薄弱环节信息,利用ProTOOLKIT
工具把此辅助模块集成到ProE的系统中。
3基于可靠性一体化设计的实现图3中,连接ProE几何造型设计软件和可靠性设计评价软件的接口工具ProTOOLKIT是实现一体化设计的难点。在软件开发中,将ProE设计为主进程,在这个主进程运行中要调用“可靠度计算”辅助进程,一个很好的解决途径就是采用动态连接库(dll)方法。*。dll文件是磁盘上的文件,它由全局数据、编译的函数及资源组成,它们成为进程的一部分。
dll编译后,加载到首选的地址上,如果与其他dll之间没有冲突,则该文件影射到进程的同一虚拟地址上。
dll有各种导出函数,客户程序(将dll加载在第一位置)导出这些函数。本文使用CWinApp类来生成一个dll工程(PTC.dll),在此工程中加入ProTOOLKIT程序,然后生成第二个dll工程(MFC.dll),并在此工程中用类向导(ClassWizard)和资源编辑器(ResourceEdit)生成所需要的MFC类,然后将MFC.dll插入到PTC.dll中。
这两个dll工程之间以及它们和ProE系统之间的调用关系如所示,ProE系统利用PTC.dll文件调用ProTOOLKIT程序,然后ProTOOLKIT程序利用MFC.dll调用MFC应用程序。
主要使用ProEwildfire2.0(中文版)和VC++6.0作为开发工具。编写了二次开发的菜单资源和要调用的对话框资源。手动注册的对话框,启动所编写的模块。“可靠度计算”已成为“工具”菜单的一项。启动“可靠度计算软件”,即可选择正态分布、对数正态分布和指数分布下可靠度的计算程序。
4.1基于安全系数法的设计在机械结构的传统设计中,产品的设计者主要从满足产品使用要求和保证机械性能要求出发进行产品设计。在满足这两方面要求的同时,必须利用工程设计经验,使产品尽可能可靠。
舵机活塞,假设最大负载为F=300kg,液压油源压力为P s=21MPa。根据负载匹配的条件,通常最大功率点的负载压力P L=2/3Ps,则可以得到舵机活塞的面积为:(5)考虑到柱塞的疲劳强度,取活塞直径为d=2.5cm,可得其面积为A 0=d 2 4=4.9cm 2,则有:(6)所以d=2.5cm可以满足设计要求。选取材料为20Cr,得=b/n=1570kg/cm 2(n=5),由于F=!d 2/4P s=1029kg,按强度校核d!4F/” 0.9cm,所以满足设计要求。
以上设计可以看出,舵机活塞杆的设计充分考虑了材料的疲劳强度,其安全系数n=5,其设计目标是试图以此来保证机械产品不会发生故障。但事实上,由于材料强度的动态变化和载荷应力的随机性,对于相同的安全系数,故障概率就可能由低值变化到不许可的高值,因此传统的安全系数法并未实时考虑材料强度和零部件承载应力的变化进程。
4.2基于可靠性的产品一体化设计将所示的液压舵机活塞杆用一体化进行设计。设载荷与强度均服从正态分布,其所受载荷的分布参数为F(” F,F)=F(300kg,10kg),可靠度达到0.999。将设计中的成本因素考虑进去,在直径为2cm到2.5cm之间寻找合适的值使之满足要求。
可见,选择与传统设计相同的材料,其材料强度不需要施加安全系数即可满足系统的承载应力要求。成本的目标函数为C=C S!r 2 l其中C为总造价成本,C S为单位重量造价,l为活塞杆长度,设为定值,以可靠度为约束。
通过设计的交互反馈,最终得到合适的值为2.1cm。而选择过程如比较所示。S=0.75kg/cm 2这时根据强度和应力参数,调用可靠性设计软件计算。利用可靠性一体化设计与安全系数传统设计具有明显的区别:(1)传统安全系数法是参数固定的几何造型设计方法,为了适应不确定因素常导致结构尺寸过大,重量过重,费用增加,甚至出现"危险"设计,使产品故障频繁。而可靠性设计就会避免这些因素,它在设计时随时进行可靠性评价,使设计出的产品具有较高的可靠度。
(2)基于可靠性设计的产品设计方法综合优化了其可靠性和成本,使得设计出的产品具有参数最优的特点。如本例中选取半径r=2.1cm,较之安全系数法设计的r=2.5cm,能使活塞体积变小,重量减轻,成本降低。
(3)传统设计仅面向几何造型设计,可靠性评价是事后进行的,经常出现产品已完成设计而可靠性不满足要求的现象,从而造成重复设计,大大影响了产品的设计周期。而基于可靠性的产品一体化设计方法把产品设计与可靠性评价同时进行,使以前“先后”的设计模式变为了“并行”,这样就大大缩短了产品的开发设计周期,提高了设计效率。
5结论将应力-强度干涉随机理论与传统安全系数法相结合,提出机械产品可靠性与性能一体化设计方法。鉴于机械零件工作环境的不确定性,探讨零件的可靠性是非常必要的。通过运用ProE的二次开发技术和MFC技术,实现了可靠度计算的辅助设计模块,并成功集成到ProE系统中。在机械设计的同时,考虑可靠性设计,以及其它约束因素,能够缩短工程开发的周期,提高设计的效率。