重载过盈锁紧液压缸锁紧刚度特性分析_杨明.pdf
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1、液压气动与密封年第期 重载过盈锁紧液压缸锁紧刚度特性分析杨 明,李纪友,张振华,郭敦鹏,赵允宽,邵守迎(烟台星辉航空液压有限公司,山东 烟台;山东益诚液压设备有限公司,山东 临沂;北京特种机械研究所,北京)摘 要:重载过盈锁紧液压缸通过锁紧套与活塞杆之间过盈配合实现机械锁紧,具有锁紧刚度好、锁定精度高等显著优点。分析过盈锁紧液压缸工作原理及采用机械锁紧、液压锁紧时锁紧刚度的计算方法;建立过盈锁紧液压缸有限元模型,在活塞杆杆头轴向和径向施加不同载荷约束,仿真获得不同行程、不同载荷时过盈锁紧液压缸的应力应变特性,并与解析计算值进行对比分析。结果表明:重载过盈锁紧液压缸的机械锁紧刚度达 ,高出液压锁
2、紧刚度一个数量级以上,轴向载荷作用下轴向形变量不超过,径向载荷对过盈锁紧液压缸的形变量影响较大,有限元仿真结果与解析计算结果的最大误差在 左右。为重载过盈锁紧液压缸的设计、研制和应用提供参考。关键词:液压缸;过盈锁紧;刚度特性;应力应变;有限元中图分类号:文献标志码:文章编号:()o o o Y g,g,Yk,g(o o,;o o,;o ,):o o o o o,o oo o o o o o o o o o o o ,oo o o o,o o oo,o o o o o o ,o o o o o oo o o o oo o ,o o o o o ,o o o o o :;o;收稿日期:基金项目:
3、北京市自然科学基金()作者简介:杨明(),男,山东龙口人,高级工程师,学士,研究方向流体传动与控制技术。引言液压缸作为兵器发射液压系统一种重要执行元件,其作用是将压力能转为机械能,实现发射装备的举升俯仰、调平支撑、锁紧定位等功能。传统液压缸主要利用液压阀封闭油腔,实现液压锁紧功能,由于液压阀和液压缸本身都不可避免存在内泄漏,影响液压缸锁紧精度;又由于液压油是可压缩的,导致液压锁紧类似“弹簧”,锁紧后比较“软”,锁紧刚度比较低。针对该问题,国内一些学者基于圆筒弹性形变理论,提出了过盈锁紧液压缸结构方案,通过锁紧套与缸筒或者活塞杆之间的过盈配合,实现任意位置机械锁紧,具有锁紧力大、锁紧刚度好、锁紧
4、精度高等显著优点,在发射装备支撑、雷达锁紧等领域具有独特使用优势。然而,目前针对过盈锁紧缸的锁紧刚度问题还鲜有研究,本文以“抱活塞杆”型过盈锁紧液压缸为研究对象,分析了该型液压缸分别利用机械锁紧、液压锁紧时锁紧刚度的计算方法,针对机械锁紧建立有限元模型,在缸头轴向和径向施加不同载荷,系统研究了过盈锁紧 o液压缸在不同载荷、不同行程时的应力应变特性,并将有限元仿真结果与解析计算结果进行对比分析,明确两者误差。为重载过盈锁紧液压缸的设计、研制和应用提供参考。工作原理“抱活塞杆”过盈锁紧液压缸结构原理见图,由端盖、缸筒、导向套、活塞杆、锁紧套、耳环和密封件等组成,设有无杆腔油口、有杆腔油口和解锁腔油
5、口。其中,锁紧套固定在导向套上,与活塞杆构成过盈配合,两端安装密封件形成密闭容腔。当解锁腔油口无高油压通入时,锁紧套将活塞杆“抱住”,过盈副摩擦力实现机械锁紧。当解锁腔油口通入高油压时,锁紧套弹性变形膨胀,锁紧套与活塞杆由过盈配合变为间隙配合,实现机械解锁。在机械解锁状态下,与传统液压缸一样,可以通过液压阀封闭无杆腔或有杆腔,实现液压锁紧。重载过盈锁紧液压缸主要结构参数如表 所示。图 过盈锁紧液压缸结构原理表 过盈锁紧液压缸主要结构参数名称数值名称数值缸筒外径 活塞杆外径 缸筒内径 活塞杆内径 缸筒长度 活塞杆长度 行程 钢材弹性模量 锁紧刚度解析计算2.1 机械锁紧刚度计算过盈锁紧液压缸伸出
6、机械锁紧时,可等效为两厚壁圆筒串联。假设缸筒、活塞杆在轴向载荷 作用下的变形量分别为 和。缸筒刚度 k、活塞杆刚度k以及串联后总刚度 k 分别为:k()()k()()k kk()()根据上式()式(),计算得到过盈锁紧液压缸全伸出机械锁紧时的刚度为 。2.2 液压锁紧刚度计算液压油具有可压缩性,拟定油液体积弹性模量 k ,过盈锁紧液压缸全伸出时的无杆腔容积为,则液压锁紧刚度 k按下式计算k kk()根据式(),计算得到过盈锁紧液压缸全伸出液压锁紧时的刚度为 。对比上述结果可知,当采用机械锁紧、液压锁紧两种不同锁紧方式时,液压缸的锁紧刚度差异巨大,机械锁紧刚度是液压锁紧刚度的近 倍,远高出液压锁
7、紧刚度一个数量级。当大惯量负载受外界扰动冲击大时,机械锁紧将显著增加执行元件刚度和锁定精度,提高系统动态响应。针对机械锁紧,将通过有限元法,系统分析不同行程、不同载荷时过盈锁紧液压缸的应力应变特性。锁紧缸刚度有限元仿真3.1 三维建模及网格划分根据过盈锁紧液压缸载荷传递路径,建立包含缸筒、活塞杆、锁紧套等关键件的有限元仿真模型并进行网格划分(见图),网格节点共计 个,单元格 个。图 过盈锁紧液压缸有限元模型3.2 载荷及约束考虑过盈锁紧液压缸伸出一半或全伸,伸出后会同时受轴向、径向载荷,按以下顺序施加载荷约束(如图 所示):端盖支耳施加固定约束,活塞杆耳环施加轴向推力,推力分别为 、和 ,观察
8、活塞杆伸出一半或全伸出时的应力应变;活塞杆完全伸出,端盖支耳施加固定约束,活塞杆耳环施加轴向推力 和径向力,其中轴向推力 为 ,径向力 分别为 、和 ,观察锁紧液压缸应力应变情况。液压气动与密封年第期图 过盈锁紧液压缸载荷约束3.3 仿真结果分析)轴向载荷下的应力应变特性活塞杆伸出一半,轴向分别施加 、和 载荷,其中 载荷下的应力应变如图 所示。由仿真结果可知:锁紧缸的受力沿径向对称分布,两端大中间小,过盈锁紧区最小,两端耳环连接局部出现应力集中,其中杆头耳环处应力最大,在轴向 、和 载荷时,最大应力分别约 、和,均小于材质屈服应力。锁紧液压缸变形量从杆头向端盖逐渐减小,轴向载荷 、和 时,杆
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