重载过盈锁紧液压缸锁紧刚度特性分析_杨明.pdf

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：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，杆头 最 大 变 形 量 分 别 为 、和 ，随载荷增加变形量显著增大。图 轴向载荷下应力应变（，伸出一半）活塞杆全伸出，轴向施加 、和 载荷，其中 载荷时的应力应变如图 所示。由仿真结果可知：过盈锁紧缸的应力应变分布特征及应力集中区域与伸出一半时基本一致，但应力数值和变形量都明显增大。在轴向 、和 载荷时，最大应力分别约 、和 ，均小于材质屈服应力。在轴向载荷 、和 时，锁紧液压缸杆头的最大变形量分别为 、和.，变形量较伸出一半时最大增加约 。）轴向和径向载荷下的应力应变特性活塞杆完全伸出，同时考虑轴向和径向载荷，轴向施加载荷 ，径向分别施加载荷 、和 ，其中 轴向载荷和 径向载荷下的应力应变如图所示。由仿真结果可知：径向和轴向载荷作用下，过盈自锁缸的应力不再径向对称，应力集中突出，在端盖耳环、活塞杆与锁紧套接触位置，应力集中受力明显增大。轴向载荷 保持不变，径向载荷 、和 时，对应最大应力分别为 、和 ，对应最大轴向变形量分别为 、和 ，对应最大径向变形量分别为.、和 。由此表明，同时受轴向和径向载荷作用时，活塞杆轴向的变形量较不受径向载荷时明显增大，另外径向变形量远远大于轴向变形量；当径向载荷 时，局部应力已超过材料屈服强度，过盈锁紧液压缸工作失效风险很大。图 轴向载荷下应力应变（，全伸出）图 轴向和径向载荷下应力应变 应力应变对比分析4.1 解析计算与仿真结果对比通过解析计算，获得过盈锁紧液压缸的机械锁紧刚度为 ，由此可推算过盈锁紧液压缸在 o、和 轴向载荷下全伸出时的轴向变形量，其与有限元仿真结果的对比情况见表。表 解析计算与有限元仿真变形量对比轴向载荷 解析计算变形量 有限元仿真变形量 误差 由此可知，过盈锁紧液压缸轴向变形量的有限元仿真结果，较解析计算结果要偏大，同等工况下两者误差约，这可能是由于：在等效为圆筒串联进行解析计算时，忽略了端盖、耳环及过盈配合长度对锁紧刚度的影响；另外，实际活塞杆的局部存在阶梯孔，也一定程度上会削弱了锁紧刚度。上述原因导致解析计算结果偏小。4.2 不同载荷工况仿真结果对比活塞杆全部伸出，只受 轴向力，与同时受 轴向力和 、和 径向力时，过盈锁紧液压缸应力应变的仿真结果对比如表 所示。表 不同载荷工况仿真结果对比轴向载荷 径向载荷 最大应力 轴向变形量 径向变形量 由此看出，当只受轴向载荷时，过盈锁紧液压缸轴向变形量不超过 ，在径向也出现一定变形，但数值很小可忽略。当轴向和径向载荷同时作用时，其径向变形量远大于轴向变形量，并且随径向载荷从 增至，不仅径向变形量显著增加，同时轴向变形量也有显著增大。因此，对于长行程重载过盈锁紧液压缸，安装使用时应尽可能减小径向偏载，以保证良好锁紧刚度。试验验证重载过盈锁紧液压缸的刚度试验现场如图 所示。采用两缸对顶的方法，通过加载缸向被测试过盈锁紧液压缸施加轴向载荷，通过激光测量过盈锁紧液压缸加载前和加载后，前后两个铰接点在轴向的位移量，进而计算出过盈锁紧液压缸的刚度。图 过盈锁紧液压缸的刚度试验现场当分别施加 和 轴向载荷时，过盈锁紧液压缸 的 轴 向 位 移 变 化 量 分 别 约 为 和 ，与有限元仿真计算结果十分接近。由此计算出过盈锁紧液压缸的实际刚度约为 ，与理论计算刚度相近，证明了理论分析的正确性。结论本文以“抱活塞杆”型重载过盈锁紧液压缸为研究对象，分析其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，建立有限元仿真模型，对比分析了过盈锁紧液压缸不同伸出长度、不同载荷下的应力应变特性，得到的主要结论如下：（）重载过盈锁紧液压缸的机械锁紧刚度达 量级，液压锁紧刚度仅 量级，机械锁紧刚度高出液压锁紧刚度一个数量级以上；（）过盈锁紧液压缸在 轴向重载作用时，轴向变形量仅 左右；但当轴向和径向载荷同时作用时，径向变形量达 量级，轴向变形量也将显著增大；（）同等工况下，解析计算得到的过盈锁紧缸的轴向变形量，相比有限元仿真得到的轴向变形量要略小，两者误差在 左右，采用有限元仿真获得的机械锁紧刚度，与实际工况更为接近。参考文献 谢文建，蒙小苏，吴建胜 任意位置过盈锁紧型自锁缸在液压锁紧回路中的应用与研究 液压气动与密封，（）：邹建华，吴榕 液压锁技术现状分析 机械工程与自动化，（）：，黄长征 液压缸机械锁紧技术新发展 韶关学院学报，（）：倪江生，翟羽健，陈正威 新型机械锁紧式液压缸的设计 机械科学与技术，（）：蔡云蛟 过盈锁紧型液压缸设计及应力分析 广州：华液压气动与密封年第期南理工大学，秦俊，杨晓东，畅思琦，等 机械内锁紧式液压缸自动化测试技术研究 液压气动与密封，（）：王积伟 液压传动第 版 北京：机械工业出版社，丁问司，陈康，熊艳伦，等 自锁型液压支腿的有限元分析及性能测试 机床与液压，（）：，张志军，顾克秋，张鑫磊 液压缸刚度有限元计算方法火炮发射与控制学报，（）：，引用本文：杨明，李纪友，张振华，等 重载过盈锁紧液压缸锁紧刚度特性分析 液压气动与密封，（）：，o，o o o ，（）：一种低温高压密封试验系统设计黄世朋，刘 伟，徐 钰，刘亚喆，王永芝 o o g，Y，Y，Yg（河南航天工业总公司，河南 郑州）摘 要：详细介绍了一种低温高压密封试验系统，低温高压密封试验系统用于进行高低压气动零部件常温密封、低温静态密封性试验，温度范围 。关键词：低温；高压；密封；试验系统中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引言低温高压密封试验系统用于进行高低压气动零部件常温密封、低温静态密封性试验，温度范围 。试验台具有良好的稳定性，能够稳定可靠地完成常温、低温密封试验。低温高压密封试验系统由液氮供应系统、气体增压系统、压力供应系统、检漏系统、控制和数据采集系统组成。其中，液氮供应系统包括液氮储罐、液氮槽、低温真空试验箱、阀门及管路等，用于提供低温试验环境；气体增压系统包括气体增压泵、高压气瓶组、配气台、阀门及管路等，用于提供试验用气体介质；压力供应系统包括压力机、液体增压泵等，用于提供压力环境；检漏系统包括氦质谱检漏仪、检漏工装、真空泵、阀门及管路等，用于实现低温环境下的密封泄漏量收稿日期：作者简介：黄世朋（），男，河南封丘人，工程师，学士，主要从事液压气动系统及元件的设计研究工作。测量；控制和数据采集系统包括压力机控制系统、试验测控系统等，用于实现试验控制和数据采集。系统可开展常温气密试验、低温气密试验。技术要求工作压力：；压力控制精度：；温度范围：。介质：非腐蚀性气体、液氮。配气系统设计2.1 原理设计气体增压系统包括高压气源（气体增压泵、高压气瓶组）、配气台、连接管路及阀门等，作用是为试验件提供最高 的试验用氦气 氮气、真空试验箱吹除氮气、气驱泵驱动氮气。试验现场 氮气气源通过配气台调节后通过不锈钢管路为气体增压泵提供驱动气，为吹除路提供吹除气。驱动气路设有集气管保证驱动气的稳定输出。气瓶组氦气通过气体增压泵 增 压 至