高壓液壓缸受力變形研究

陳勇

（天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457）

高壓液壓缸是某種核電輔具中的關(guān)鍵部件，其運(yùn)行速度低、活塞桿承受軸向壓力的作用、保壓時(shí)間長(zhǎng)、使用頻繁。目前，國(guó)內(nèi)核電現(xiàn)場(chǎng)所用的國(guó)產(chǎn)高壓液壓缸存在的問題是內(nèi)泄大、不能長(zhǎng)時(shí)間保壓及使用壽命低等。由于核電現(xiàn)場(chǎng)要求的特殊性以及精度控制要求嚴(yán)格，目前國(guó)內(nèi)使用的高壓液壓缸主要依靠進(jìn)口，費(fèi)用極高并且受到各方面的限制。因此，開發(fā)出結(jié)構(gòu)合理，使用壽命長(zhǎng)的高壓液壓缸是完善這種核電輔具的重要課題，并且可以為實(shí)現(xiàn)該種輔具的國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

1 高壓液壓缸簡(jiǎn)介

1.1 液壓缸主體結(jié)構(gòu)

該種核電輔具所用液壓缸為柱塞式液壓缸，它是一種單作用式液壓缸，靠液壓力實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。其中一種液壓缸的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 液壓缸主體結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：

（1）活塞。材料為30CrNiMo8V，力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度Rm840-940N/mm2；屈服強(qiáng)度Re≥640 N/mm2；斷后伸長(zhǎng)率A5≥12%；沖擊功KV≥45J；硬度 248-278 HB30

（2）缸體。材料為42CrMo，力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度Rm560-760N/mm2；屈服強(qiáng)度Re≥360 N/mm2；斷后伸長(zhǎng)率 A5≥12%；沖擊功 KV≥45J；硬度166-225 HB30

（3）缸蓋。材質(zhì)為42CrMo，材料力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度Rm840-940N/mm2；屈服強(qiáng)度Re≥640N/mm2；斷后伸長(zhǎng)率A5≥12%；沖擊功KV≥45J；硬度 248-278 HB30

1.2 液壓缸的工況及結(jié)構(gòu)分析

液壓缸的工作壓力P=92.0MPa，設(shè)計(jì)最大壓力為Pmax=100.0MPa。在輔具的使用過程中，液壓缸工作頻繁，工作壓力過大。在高壓狀態(tài)下需要較長(zhǎng)時(shí)間保壓。

圖1所示的液壓缸其主要配合面為活塞與缸體的兩個(gè)配合面，其配合均為間隙配合，Φ360H7/f7配合的最大間隙：Xmax=0.11mm，最小間隙：Xmin=0.056mm；Φ180H7/f7配合的最大間隙：Xmax=0.093mm，最小間隙：Xmin=0.05mm。

液壓缸工作時(shí)，高壓腔為下腔，活塞高壓區(qū)域面積S1=19075.5mm2。缸體高壓區(qū)域面積缸體底部：S2=S1=19075.5mm2，缸體四周：S3=1130.4h（mm2）。其中h為液壓缸工作過程中活塞的位移，單位mm。

2 傳統(tǒng)高壓液壓缸的受力變形分析

高壓液壓缸安裝時(shí)缸體固定，在下腔中通入高壓液壓油，由活塞帶動(dòng)拉桿向上移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)核電現(xiàn)場(chǎng)的工作要求，并且在高壓作用下需要保壓一段時(shí)間。由于該種輔具應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，所以對(duì)液壓缸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及制造精度具有很高的要求。

2.1 高壓液壓缸的受力分析

液壓缸工作時(shí)在下腔中通入高壓液壓油，工作壓力可達(dá)92MPa。下腔活塞的主要受力面為120尺寸面得下端面，缸體受力面為缸體底部以及缸體四周與液壓油的接觸面。在整個(gè)液壓缸的受力面上各部位壓強(qiáng)相同。

活塞下端面受力：F1=PS1=1754.9KN

缸體受力：缸體底面受力：F2=F1=1754.9KN；缸體周邊受力：F3=PS3=1040hKN

由以上分析可知，液壓缸在工作過程中高壓腔的受力均比較大，在如此大的壓力作用下，活塞、缸體必然產(chǎn)生彈性變形，從而導(dǎo)致活塞、缸體的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

2.2 高壓液壓缸主體部件的變形分析

在壓力作用下，由彈性變形而引起的活塞、缸體的幾何結(jié)構(gòu)變化是一定的，即活塞向被壓側(cè)彎曲，直徑變大；缸體外圓面向外擴(kuò)張，直徑變大；缸體底面向外彎曲。現(xiàn)對(duì)如圖1所示的液壓缸在受力狀態(tài)下的變形進(jìn)行模擬分析，模擬壓力為92MPa，以確定液壓缸各組件的變形情況。

活塞的變形如圖2、圖3所示，缸體的變形如圖4所示。活塞Φ360f7部分在徑向的變形位移為0.10mm，其數(shù)值已接近兩者配合的最大間隙0.11mm；缸體Φ360H7尺寸面在徑向變形位移為0.18mm，在高壓腔以外的部分，缸體變形逐漸遞減。活塞Φ360f7部分在豎直方向上的變形位移為0.20mm，缸體在豎直方向上的變形位移各位置不相同，底部最小，變形位移為0.059mm，向上逐漸增大，在高壓腔上液面處達(dá)到最大值0.11mm，以后逐漸遞減。

活塞Φ360f7部分在徑向和軸向的變形直接影響到活塞與缸體的配合性質(zhì)，由于缸體Φ360H7尺寸面在高壓腔以上的部分徑向和軸向的變形位移很小，而活塞的變形位移相比缸體變形大的多，所以液壓缸在工作過程中活塞軸向運(yùn)動(dòng)會(huì)與缸體產(chǎn)生剛性接觸，將缸體內(nèi)壁劃傷，照成液壓缸內(nèi)泄嚴(yán)重而不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求壓力，并且不能保壓。

圖2 活塞橫向變形

圖3 活塞豎直方向變形

活塞Φ180f7部分在徑向向內(nèi)收縮，變形位移分別為0.02mm；軸向向下拉伸，變形位移為0.003mm。缸體Φ180H7尺寸面在徑向收縮，變形位移為0.09mm，軸向上翹，變形位移為0.056mm。沿軸線向下，缸體的以上兩個(gè)變形位移逐漸減小。由于活塞向內(nèi)收縮的變形位移比較小，并且缸體向外擴(kuò)張的變形位移亦較小，所以Φ180H7/f7配合面上的變形位移對(duì)配合要求不會(huì)產(chǎn)生大的影響，亦不會(huì)造成缸體與活塞之間的剛性接觸而產(chǎn)生表面劃傷。在選取密封圈壓縮量足夠的情況下不會(huì)導(dǎo)致液壓缸在Φ180H7/f7的配合面處發(fā)生泄露。

圖4 缸體受力變形

3 結(jié)論

3.1 關(guān)于液壓缸材料的選取

選取材料是設(shè)計(jì)高壓液壓缸的重要環(huán)節(jié)，首先要考慮構(gòu)件抵抗破壞的能力，即強(qiáng)度要求。其次還要考慮構(gòu)件抵抗變形的能力，即剛度要求。原因是抵抗破壞的能力僅僅是保證了構(gòu)件在外力的作用下不會(huì)被破壞，而沒有考慮在外力作用下構(gòu)件本身幾何結(jié)構(gòu)的變化。剛度要求充分考慮了構(gòu)件在外力作用下保持本身幾何結(jié)構(gòu)的能力，保證構(gòu)件本身幾何結(jié)構(gòu)的變化在允許的范圍內(nèi)。

構(gòu)件的變形量與其材料的性能具有直接的關(guān)系，材料本身抵抗變形的能力與材料的三個(gè)彈性常量，即彈性模量E、泊松比μ以及剪變模量G有關(guān)，對(duì)于各向同性材料三者之間的關(guān)系為[1]

在零件材料的選取過程中，要充分考慮零件材料本身的力學(xué)性能，選取E、G值較大的材料，從而保證零件的剛性得到加強(qiáng)。

3.2 關(guān)于液壓缸零部件的結(jié)構(gòu)

由以上的分析可知，液壓缸在工作過程中由于受到高壓油的壓力作用，活塞、缸體均會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形。變形可以直接影響到活塞與缸體之間的配合性質(zhì)，甚至?xí)够钊c缸體之間形成剛性接觸。配合性質(zhì)發(fā)生變化必然導(dǎo)致密封件的壓縮量產(chǎn)生變化，導(dǎo)致密封失效；活塞與缸體發(fā)生剛性接觸必然導(dǎo)致配合密封面的劃傷，導(dǎo)致密封失效，產(chǎn)生內(nèi)泄。所以在進(jìn)行液壓缸的設(shè)計(jì)過程中要合理設(shè)計(jì)各零部件的結(jié)構(gòu)，一方面增加零件的剛性，一方面減小零件產(chǎn)生變形導(dǎo)致的密封失效。

[1]劉鴻文.材料力學(xué)-2版（修訂本）.北京：高等教育出版社，1992.