單腔體水壓水刺頭的計算

王紅波 王曉偉

（恒天重工股份有限公司，河南 鄭州450053）

在水刺工藝中，水刺頭是提供高水針質量的關鍵部件。而水刺頭在高壓下的變形和強度大小是制造均勻、穩定、高速水針的重要前提條件。在水刺裝備中，水刺頭是一個封閉的組件，其加工精度高，技術成本昂貴，本文針對本公司現有TW 22D系列水刺頭結構，對水刺頭做簡化分析計算，為降低水刺頭成本提供參考依據［1］。

1 已知條件的設定

已知水刺頭腔體材料為1Cr17Ni2，調質處理后HB=260～300，σb=900～1 020N/mm2，σS≈600～700N/mm2，E=206×109Pa。將水刺頭的水壓設定為30MPa，腔體所受側向力為F。水刺頭腔體結構如圖1所示，截面如2所示。

圖1 水刺頭腔體結構

圖2 水刺頭腔體截面

2 腔體撓度變形計算

由于結構對稱（圖3），取虛線框部分進行分析，建力學模型：

圖3 水刺頭腔體部分結構

2.1兩個對邊簡支，兩個對邊固定整個板面受均布載荷。如下圖4。a=3.65m，b=0.0885m，h=0.053m，q=30Mpa。

圖4 兩個對邊簡支圖

最大撓度在自由邊的中點A處，f=

因a/b=41.2取c=0.1422

最大彎曲應力發生在長邊中心的A點及B點處，A點處c1=0.75 mm2=62.7N/m2

圖5

B點處：c2=0.225

2.2 看作懸臂梁

3 腔體側面的受壓變形及應力

腔體側面的受壓變形及應力，如圖6所示：

圖6 腔體側面受壓變形及應力

3.1 腔體處受力計算

腔體連接處面積S1=58.5×3650=213 525mm2；

φ53通腔側向受力面積S2=53×3 650=193 450mm2；

長圓孔側向受力總面積S3=35.5×3 510=124 605 mm2；

腔體處受力：

3.2 腔體頂部連接處強度校核

F/S1=9 541 650/213 525=44.68＜＜σS

4 螺釘強度校核

螺釘數量180個，規格為GB70M20×40 Tc7 10.9級，其σ0.2=940N/mm2

圖7

則［σ］=σ0.2=/1.5=626N/mm2，［τ］=0.8×［σ］=501N/mm2。

4.1 剪切校核

單側面總受力為F1=30×106×（53×3 650+35.5×3 510）×10-6=9 541 650N

設有一半作用在螺釘上（另一半作用在腔體上方連接處），則：單個螺釘受剪力F=0.5F/90=53 009.2N；單個螺釘受剪應力τ=F/As=53 009.2/245=216N/mm2＜［τ］=501

4.2 拉伸校核

所受總拉力F2=33×3650×10-6×30×106=3 613 500N

單個螺釘受拉力F=3 613 500/180=20 075N

單個螺釘受拉應力σ=F/AS=2 0075/245=81.9＜626

5 結語

通過以上計算可以得知：在理論上，不論是水刺頭所用材料還是螺釘所用規格，均可降低。公司現已依據本計算將規格為GB70 M20×40 Tc7 10.9級的螺釘規格降低為GB70 M20×40 A2-70不銹鋼螺釘，每年僅此一項為公司節省200余萬元。

［1］聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2010，1.