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摘要：由于建筑施工空间越来越狭窄，因此相应的施工机具希望具备体积小、重量轻的特点，千斤顶是施工机具的重要构成部分，如果能够减小千斤顶的体积，减轻其重量，必然可以大大减少施工工艺材料，缩小工作空间，有利于建筑施工。因此，轻量化、小型化将是千斤顶未来设计的主要方向。本文主要以YCW250千斤顶为研究对象，引入虚拟样机技术进一步优化YCW千斤顶关键零件设计，使其重量和体积达到最优化。
关键词：YCW250千斤顶；关键零件；优化设计
随着预应力结构和技术的不断创新和发展，水泥强度的提高，导致锚具之间的距离越来越小，建筑施工空间自然也就日益缩小，对配套的施工机具的体积以及重要也提出了更高的要求。目前，在国外一些发达国家已经将千斤顶的重量以及体积作为用户订单的重要指标之一，目前国内外相关学者为了减轻千斤顶的重量，减少其尺寸，尽量满足施工要求，在这方面做出了很多的研究和尝试。现阶段，国外研发的一些新型千斤顶产品相对于我国国内同类产品的技术参数明显更胜一筹，为了能够赶上甚至超越国外产品技术设计水平，我国应尽快进行技术改造，优化千斤顶的参数设计。本文研究的YCW250是一种在传统千斤顶基础上改造形成的一种新型的通用型预应力穿心式千斤顶，相对于传统千斤顶具有明显优势，但是和国外同期产品的参数水平相比明显落后，因此，下面主要引入虚拟样机技术进行优化设计，希望为产品的设计以及试验提供一定的指导。
1.关于YCW250千斤顶的相关介绍
千斤顶主要是通过液体这种工作介质来传递能量，从而达到各种工作要求的一种机器。通常，该种机器主要包括液压控制系统、动力系统、主机系统三部分，其中动力系统的工作主要是为千斤顶本体工作提供相应的高压液体，同时需要接收由回程排回的所有低压液体。其次，动力系统还需要检测、搅拌、过滤并冷却工作液体，确保工作液体能够处于最佳的一种工作状态。液压控制系统主要是为了在准确的地点、时间将动力系统提供的高压液体输送到各个工作处，同时还需要输送油缸排回的低压液体重新回到动力系统中。
1.1关于YCW250千斤顶的主机构造及基本特点
1.1.1 YCW250主机的基本构造
YCW250千斤顶的主机结构主要包括3大部分：①提手。主要是为了方便吊运。②“运动体”。由活塞及其密封件共同组成。③“不动体”。主要由后密封板、大堵头、定位螺母、油缸、后压紧环及其密封件、穿心套等组成。具体的构造如图1所示：
图中的1、2、3、4、5、6、7、8分别表示定位螺母、大堵头、提手、油缸、活塞、穿心套、后密封板、后压紧环。
1.2 YCW250千斤顶的基本特点
YCW250千斤顶的工作压力介于50MPa-80MPa之间，一般工程的液压系统的工作压力在35MPa以下，由此可见，千斤顶的工作压力相对而言比较高。因为对于千斤顶的重量具有较高的要求，在工作过程中必须保证安全性，因此，对于千斤顶构件，不管是在结构方面、材料方面还是在强度方面都具有较高的设计要求。同时，高压缸体的直径比较大，但是缸体外、内径的径比相对较低，而且在实际工作过程中很容易出现变形，因此很难选择端部静密封设计和活塞的动密封设计，特别是在缸体变薄后，这种动静密封设计之间的矛盾会更加突出。其次，通常千斤顶的缸体占到总重量的44%左右，其中重量占比较大的是穿心套和活塞杆，因此在千斤顶的轻量化设计中，首先应重点考虑缸体设计，然后再考虑其他部件的优化设计。另外，千斤顶的密封件结构可靠性相对较差，在高压端的静密封部分主要应用的是O型圈加挡圈的结构，这种结构的超压适应能力相对较差，一旦缸壁变薄或者压力升高后，极易出现泄漏。
1.3关于YCW250千斤顶的基本参数
千斤顶的基本技术数据就是基本参数，主要是按照千斤顶的结构类型，也即是工艺用途进行确定，这些基本参数可以真实的反映出千斤顶的基本特点及其工作能力，基本上也可以确定千斤顶的本体重量以及轮廓尺寸。主参数是所有基本参数中最重要的参数，主要代表的是其规格，是千斤顶型号的重要一员。为了提高产品的标准化、通用化、系列化，减小产品的尺寸和规格，从而满足施工的各种要求，降低成本，使产品更易于维修，制定出了YCW100、YCW150、YCW250、YCW400、YCW500、YCW650等多种规格的产品。其中YCW250千斤顶的基本参数如下：①主参数——公称张拉力。在名义上千斤顶可以发出的最大力量，主要反映的是千斤顶的工作能力。YCW250公稱张拉力为2480KN。②公称油压。主要是指在工作行程中，千斤顶对活塞作用时产生的最大油压。YCW250公称油压为54MPa。③张拉活塞面积。主要是指在工作时，千斤顶的工作面积。YCW250张拉活塞面积为45920mm2。④回程活塞面积。在回程过程中，千斤顶活塞的工作面积，YCW250为28020mm2。⑤回程油压。主要是指回程时，千斤顶作用于活塞的油压。YCW250在25MPa以下。⑥张拉行程。主要是指活塞最大的移动距离，对于油缸、活塞以及相关零件长度具有直接的影响。YCW250为200mm。⑦主机质量以及外形的尺寸。主要是指千斤顶的轻便程度以及工作空间。YCW250主机质量为164kg，主机外形尺寸为370mm×Φ285mm。
1.4 YCW250千斤顶关键零件的主要技术要求
YCW250千斤顶需要在50℃环境下工作，如果是采用的防尘圈及密封圈材料是聚氨酯材料，应注意液压油的防潮、防水性能以及周围的环境条件。在空载情况下，千斤顶不可以出现外泄漏，而且其启动油压应<公称油压的4%。在满载情况下，内泄漏性能情况，若液压千斤顶的内泄漏量采用沉降法进行测量，则5min内活塞的回缩量应<0.5mm。如果采用压降法进行测量，则5min内压降值应<公称油压的5%。而其外泄漏性能要求在试验内泄漏性能的过程中并没有出现外泄漏。 1.5 千斤顶主要零件的强度计算
根据相关计算，主要零件強度：①油缸。千斤顶的油缸壁厚应为18.10m，自增强应力应为132MPa，初始屈服应力为116MPa，安全系数为6.27，内半径变形值为0.105mm，外半径变形值为0.099mm。②穿心套。外径变形值为0.05mm，安全系数应为5.27，工作应力应为150MPa。③活塞。安全系数为15.5，最大工况压应力为51.2MPa。④前后堵头螺纹。安全系数为5.01，相当应力为159.5MPa，剪应力为62.4MPa，弯曲应力117MPa。根据上述强度结果分析可知，YCW250千斤顶的安全系数较高，可有效确保主要零件的安全应用，但是这样的设计肯定会增加零件重量，从而增加千斤顶的总重量。具体的尺寸图如图2所示。
2.YCW250千斤顶轻量化设计的基本思想
由于在实际工作中，千斤顶的高压腔油压承受范围在40—80MPa，因此，千斤顶优化设计者最主要考虑的问题是确保在高压环境下，千斤顶的主机能够安全、正常、可靠的运行，同时应尽可能减小千斤顶的体积，减轻其重量。比如，可以选择部分轻金属以及强度较高的台金钢。在确保安全的基础上，尽量将安全系数减小，优化千斤顶的结构。在密封部分应尽量采用比较可靠、安全系数较高的动、静密封元件。下面笔者主要从以下几个方面进行优化。
2.1关键零件的优化设计
随着现代高科技的不断创新和发展，对于系统的动态性提出了更高的要求，同时由于新控制方法的涌出，系统也会越来越复杂，在这种情况下，如果仍然采用人工的方式建立物理模型或者进行系统分析，难度系数较大，需要投入大量的人力、物力，研究效率也比较慢，因此建议引入现代化先进的计算机技术作为研究工具，分析实际物理系统的动态性，分析实际系统的工作状态，从而确定一个最佳的系统控制方案，这种仿真分析方法可使研究分析的结果可靠性增加，减少工程造价，大大缩短研究周期。就本次研究的YCW250千斤顶而言，其主要零件的安全系数相对较高，因此，可以通过适当降低各零件安全系数的方法减轻千斤顶的重量。这个研究可以在计算机上对千斤顶的结构进行有限元受力分析，并且精确计算其变形情况，这样就可以为千斤顶的变形、受力的优化提供科学的参考依据。
2.2油缸的高压处理
为了确保缸体工作的强度及其可靠性，本次应用了基于弹塑性理论的设计原理，借助厚壁圆筒结构的自增强机理，对油缸采用了超压预处理的工艺，设计了一种和高压武器身管的液压自紧工艺较为类似的一种系统工艺，均匀分化了缸壁的内应力，从而整体的缸体强度增强。油缸的体积之前是18168036.1mm3，结果进行优化后体积缩小为15622111.05mm3，体积总体缩小了2545925.05mm3，相对于初始体积缩小了16.97%，在很大程度上节省了材料，降低了成本，提高了机械的工作效率，降低了耗能。其次，经过高压处理，可将存在质量安全隐患的材质排除，也排除性能不达标的油缸，可确保在工作寿命周期内千斤顶能够安全的工作。油缸在优化前后的结构图如图3、图4所示。
在最大的张拉力工况情况下，最大的油缸应力在于配合活塞张拉力最大承载面的内表面处，在最大应力周围区域的应力也相对较大，经过油缸优化后的应力云图分析，可以发现最大的油缸应力并未表现出明显变大，这也说明如果继续将油缸的几何约束条件放宽，可能会继续减轻油缸的重量。油缸优化后的张拉应力云图如图5所示。
2.3采用新型密封装置进行优化
密封的目的主要是为了避免泄漏工作介质，避免灰尘、气体等进入，一旦密封失效将会导致停位失准，运动不稳，甚至无法停位，无法有效控制压力，严重的话可能会导致设备故障，造成严重的后果，因此对于千斤顶的密封性能要求较高。目前，千斤顶活塞密封主要采用O形圈、Yx形圈、挡圈，而且会添加铜质导向块，但是一旦筒体变薄、压力过高，或者温度升高，都可能会导致密封失效。因此，建议应用新型的自紧式超高压密封系统以及活塞密封结构。格莱圈相比于O形圈、Yx密封圈而言具有摩擦系数低、使用寿命长、尺寸小、结构紧凑、密封效果好等优点。在O形圈基础上加带锥面的三角形挡圈的自增强密封结构，可随着压力的不断增加而加大其密封面的压力，确保缸体在变形后也保持良好的密封效果，确保千斤顶的工作安全性和可靠性。
综上所述，千斤顶作为重要的施工机具组成部分，优化其体积设计、重量设计对于减少施工机具的占地空间，减轻施工机具的重量具有极其重要的现实作用。油缸是千斤顶中的主要零件，其重量占比最高，因此在千斤顶的优化设计研究过程中首先必须考虑油缸，在确保油缸安全运行的基础上再综合设计其他各零件，从而减少千斤顶的整体重量以及体积，降低成本，有效提高千斤顶的工作运行效率。
参考文献：
[1]朱瑞东.高压厚壁圆筒自增强理论的探讨及应用.石油化工设备，2012.
[2]耿鲁怡，徐六飞.UG结构分析培训教程M.北京：清华大学出版社，2012（1）.
[3]郑晓龙，朱万旭，刘显辉.有限元技术在YCWl700千斤顶关键部件受力分析中的应用.建筑机械，2012（2）.
[4]米幼海.密封件中的格来圈斯特封与斯来圈.机床与液压，2012（1）.
作者简介：林泉（1973.04-），女（壮族），广西柳州人，广西大学（湖南大学在职研究生），讲师，主要从事机械结构分析与设计理论与应用教学和科研工作。
本课题为2015年度广西壮族自治区高等学校科学研究项目 课题名称：YCW250千斤顶的动态仿真分析及优化研究
关键词：YCW250千斤顶；关键零件；优化设计
随着预应力结构和技术的不断创新和发展，水泥强度的提高，导致锚具之间的距离越来越小，建筑施工空间自然也就日益缩小，对配套的施工机具的体积以及重要也提出了更高的要求。目前，在国外一些发达国家已经将千斤顶的重量以及体积作为用户订单的重要指标之一，目前国内外相关学者为了减轻千斤顶的重量，减少其尺寸，尽量满足施工要求，在这方面做出了很多的研究和尝试。现阶段，国外研发的一些新型千斤顶产品相对于我国国内同类产品的技术参数明显更胜一筹，为了能够赶上甚至超越国外产品技术设计水平，我国应尽快进行技术改造，优化千斤顶的参数设计。本文研究的YCW250是一种在传统千斤顶基础上改造形成的一种新型的通用型预应力穿心式千斤顶，相对于传统千斤顶具有明显优势，但是和国外同期产品的参数水平相比明显落后，因此，下面主要引入虚拟样机技术进行优化设计，希望为产品的设计以及试验提供一定的指导。
1.关于YCW250千斤顶的相关介绍
千斤顶主要是通过液体这种工作介质来传递能量，从而达到各种工作要求的一种机器。通常，该种机器主要包括液压控制系统、动力系统、主机系统三部分，其中动力系统的工作主要是为千斤顶本体工作提供相应的高压液体，同时需要接收由回程排回的所有低压液体。其次，动力系统还需要检测、搅拌、过滤并冷却工作液体，确保工作液体能够处于最佳的一种工作状态。液压控制系统主要是为了在准确的地点、时间将动力系统提供的高压液体输送到各个工作处，同时还需要输送油缸排回的低压液体重新回到动力系统中。
1.1关于YCW250千斤顶的主机构造及基本特点
1.1.1 YCW250主机的基本构造
YCW250千斤顶的主机结构主要包括3大部分：①提手。主要是为了方便吊运。②“运动体”。由活塞及其密封件共同组成。③“不动体”。主要由后密封板、大堵头、定位螺母、油缸、后压紧环及其密封件、穿心套等组成。具体的构造如图1所示：
图中的1、2、3、4、5、6、7、8分别表示定位螺母、大堵头、提手、油缸、活塞、穿心套、后密封板、后压紧环。
1.2 YCW250千斤顶的基本特点
YCW250千斤顶的工作压力介于50MPa-80MPa之间，一般工程的液压系统的工作压力在35MPa以下，由此可见，千斤顶的工作压力相对而言比较高。因为对于千斤顶的重量具有较高的要求，在工作过程中必须保证安全性，因此，对于千斤顶构件，不管是在结构方面、材料方面还是在强度方面都具有较高的设计要求。同时，高压缸体的直径比较大，但是缸体外、内径的径比相对较低，而且在实际工作过程中很容易出现变形，因此很难选择端部静密封设计和活塞的动密封设计，特别是在缸体变薄后，这种动静密封设计之间的矛盾会更加突出。其次，通常千斤顶的缸体占到总重量的44%左右，其中重量占比较大的是穿心套和活塞杆，因此在千斤顶的轻量化设计中，首先应重点考虑缸体设计，然后再考虑其他部件的优化设计。另外，千斤顶的密封件结构可靠性相对较差，在高压端的静密封部分主要应用的是O型圈加挡圈的结构，这种结构的超压适应能力相对较差，一旦缸壁变薄或者压力升高后，极易出现泄漏。
1.3关于YCW250千斤顶的基本参数
千斤顶的基本技术数据就是基本参数，主要是按照千斤顶的结构类型，也即是工艺用途进行确定，这些基本参数可以真实的反映出千斤顶的基本特点及其工作能力，基本上也可以确定千斤顶的本体重量以及轮廓尺寸。主参数是所有基本参数中最重要的参数，主要代表的是其规格，是千斤顶型号的重要一员。为了提高产品的标准化、通用化、系列化，减小产品的尺寸和规格，从而满足施工的各种要求，降低成本，使产品更易于维修，制定出了YCW100、YCW150、YCW250、YCW400、YCW500、YCW650等多种规格的产品。其中YCW250千斤顶的基本参数如下：①主参数——公称张拉力。在名义上千斤顶可以发出的最大力量，主要反映的是千斤顶的工作能力。YCW250公稱张拉力为2480KN。②公称油压。主要是指在工作行程中，千斤顶对活塞作用时产生的最大油压。YCW250公称油压为54MPa。③张拉活塞面积。主要是指在工作时，千斤顶的工作面积。YCW250张拉活塞面积为45920mm2。④回程活塞面积。在回程过程中，千斤顶活塞的工作面积，YCW250为28020mm2。⑤回程油压。主要是指回程时，千斤顶作用于活塞的油压。YCW250在25MPa以下。⑥张拉行程。主要是指活塞最大的移动距离，对于油缸、活塞以及相关零件长度具有直接的影响。YCW250为200mm。⑦主机质量以及外形的尺寸。主要是指千斤顶的轻便程度以及工作空间。YCW250主机质量为164kg，主机外形尺寸为370mm×Φ285mm。
1.4 YCW250千斤顶关键零件的主要技术要求
YCW250千斤顶需要在50℃环境下工作，如果是采用的防尘圈及密封圈材料是聚氨酯材料，应注意液压油的防潮、防水性能以及周围的环境条件。在空载情况下，千斤顶不可以出现外泄漏，而且其启动油压应<公称油压的4%。在满载情况下，内泄漏性能情况，若液压千斤顶的内泄漏量采用沉降法进行测量，则5min内活塞的回缩量应<0.5mm。如果采用压降法进行测量，则5min内压降值应<公称油压的5%。而其外泄漏性能要求在试验内泄漏性能的过程中并没有出现外泄漏。 1.5 千斤顶主要零件的强度计算
根据相关计算，主要零件強度：①油缸。千斤顶的油缸壁厚应为18.10m，自增强应力应为132MPa，初始屈服应力为116MPa，安全系数为6.27，内半径变形值为0.105mm，外半径变形值为0.099mm。②穿心套。外径变形值为0.05mm，安全系数应为5.27，工作应力应为150MPa。③活塞。安全系数为15.5，最大工况压应力为51.2MPa。④前后堵头螺纹。安全系数为5.01，相当应力为159.5MPa，剪应力为62.4MPa，弯曲应力117MPa。根据上述强度结果分析可知，YCW250千斤顶的安全系数较高，可有效确保主要零件的安全应用，但是这样的设计肯定会增加零件重量，从而增加千斤顶的总重量。具体的尺寸图如图2所示。
2.YCW250千斤顶轻量化设计的基本思想
由于在实际工作中，千斤顶的高压腔油压承受范围在40—80MPa，因此，千斤顶优化设计者最主要考虑的问题是确保在高压环境下，千斤顶的主机能够安全、正常、可靠的运行，同时应尽可能减小千斤顶的体积，减轻其重量。比如，可以选择部分轻金属以及强度较高的台金钢。在确保安全的基础上，尽量将安全系数减小，优化千斤顶的结构。在密封部分应尽量采用比较可靠、安全系数较高的动、静密封元件。下面笔者主要从以下几个方面进行优化。
2.1关键零件的优化设计
随着现代高科技的不断创新和发展，对于系统的动态性提出了更高的要求，同时由于新控制方法的涌出，系统也会越来越复杂，在这种情况下，如果仍然采用人工的方式建立物理模型或者进行系统分析，难度系数较大，需要投入大量的人力、物力，研究效率也比较慢，因此建议引入现代化先进的计算机技术作为研究工具，分析实际物理系统的动态性，分析实际系统的工作状态，从而确定一个最佳的系统控制方案，这种仿真分析方法可使研究分析的结果可靠性增加，减少工程造价，大大缩短研究周期。就本次研究的YCW250千斤顶而言，其主要零件的安全系数相对较高，因此，可以通过适当降低各零件安全系数的方法减轻千斤顶的重量。这个研究可以在计算机上对千斤顶的结构进行有限元受力分析，并且精确计算其变形情况，这样就可以为千斤顶的变形、受力的优化提供科学的参考依据。
2.2油缸的高压处理
为了确保缸体工作的强度及其可靠性，本次应用了基于弹塑性理论的设计原理，借助厚壁圆筒结构的自增强机理，对油缸采用了超压预处理的工艺，设计了一种和高压武器身管的液压自紧工艺较为类似的一种系统工艺，均匀分化了缸壁的内应力，从而整体的缸体强度增强。油缸的体积之前是18168036.1mm3，结果进行优化后体积缩小为15622111.05mm3，体积总体缩小了2545925.05mm3，相对于初始体积缩小了16.97%，在很大程度上节省了材料，降低了成本，提高了机械的工作效率，降低了耗能。其次，经过高压处理，可将存在质量安全隐患的材质排除，也排除性能不达标的油缸，可确保在工作寿命周期内千斤顶能够安全的工作。油缸在优化前后的结构图如图3、图4所示。
在最大的张拉力工况情况下，最大的油缸应力在于配合活塞张拉力最大承载面的内表面处，在最大应力周围区域的应力也相对较大，经过油缸优化后的应力云图分析，可以发现最大的油缸应力并未表现出明显变大，这也说明如果继续将油缸的几何约束条件放宽，可能会继续减轻油缸的重量。油缸优化后的张拉应力云图如图5所示。
2.3采用新型密封装置进行优化
密封的目的主要是为了避免泄漏工作介质，避免灰尘、气体等进入，一旦密封失效将会导致停位失准，运动不稳，甚至无法停位，无法有效控制压力，严重的话可能会导致设备故障，造成严重的后果，因此对于千斤顶的密封性能要求较高。目前，千斤顶活塞密封主要采用O形圈、Yx形圈、挡圈，而且会添加铜质导向块，但是一旦筒体变薄、压力过高，或者温度升高，都可能会导致密封失效。因此，建议应用新型的自紧式超高压密封系统以及活塞密封结构。格莱圈相比于O形圈、Yx密封圈而言具有摩擦系数低、使用寿命长、尺寸小、结构紧凑、密封效果好等优点。在O形圈基础上加带锥面的三角形挡圈的自增强密封结构，可随着压力的不断增加而加大其密封面的压力，确保缸体在变形后也保持良好的密封效果，确保千斤顶的工作安全性和可靠性。
综上所述，千斤顶作为重要的施工机具组成部分，优化其体积设计、重量设计对于减少施工机具的占地空间，减轻施工机具的重量具有极其重要的现实作用。油缸是千斤顶中的主要零件，其重量占比最高，因此在千斤顶的优化设计研究过程中首先必须考虑油缸，在确保油缸安全运行的基础上再综合设计其他各零件，从而减少千斤顶的整体重量以及体积，降低成本，有效提高千斤顶的工作运行效率。
参考文献：
[1]朱瑞东.高压厚壁圆筒自增强理论的探讨及应用.石油化工设备，2012.
[2]耿鲁怡，徐六飞.UG结构分析培训教程M.北京：清华大学出版社，2012（1）.
[3]郑晓龙，朱万旭，刘显辉.有限元技术在YCWl700千斤顶关键部件受力分析中的应用.建筑机械，2012（2）.
[4]米幼海.密封件中的格来圈斯特封与斯来圈.机床与液压，2012（1）.
作者简介：林泉（1973.04-），女（壮族），广西柳州人，广西大学（湖南大学在职研究生），讲师，主要从事机械结构分析与设计理论与应用教学和科研工作。
本课题为2015年度广西壮族自治区高等学校科学研究项目 课题名称：YCW250千斤顶的动态仿真分析及优化研究