变间隙密封液压缸活塞临界载荷计算与防过载策略.pdf

变问隙密封液压缸活塞临界载荷计算与防过载策略 Cal cul at i on o f de f or m at i on pi st on l i ps i n v ar i abl e cl ear ance s eal hy dr aul i c c yl i nder and o v er l oad pr ev ent i on s t r at egy 陈亮，傅连东，梅波，湛从昌 CHEN L i a n g，FU L i a n d o n g ，MEI Bo ，ZH AN Co n g c h a n g 武汉科技大学 机械自动化学院，武汉 4 3 0 0 8 1 摘 要通过分析变间隙密封液压缸变形活塞唇边的应力状态，在给定活塞和变形唇边尺寸的条件下， 给出了一种该类液压缸活塞临界载荷的计算方法，并据此提出了防过载策略，为变形活塞的 强度设计和变间隙密封液压缸的安全使用提供了参考。 关键词变间隙密封；变形活塞；临界载荷；防过载策略 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 5 0 9 下 一 0 0 8 3 0 3 Do i 1 0 ． 3 9 6 9 ／i ． i s s n． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 5 ． 0 9 下 ． 2 2 0 引言 变 间隙密封液压缸 是通 过变形活塞唇边在液压油 压力作用下产生弹性变形，使液压缸缸壁与活塞唇边之 间的间隙区域减小 ，从而减小泄漏量 的一种新型液压 缸 。涂威旺 对变形活塞进行强度仿真分析，发现变形活 塞在瞬态变化过程中最大应力出现在变形唇边处。当此 类液压缸所受载荷超过变形唇边弹性变形的临界值时， 微小的活塞唇边会产生塑性屈 曲，变形唇边在液压缸卸 压后无法复位 ，并在多次往复运动后断裂，从而导致变 形活塞 失去工作能力，造成 变间隙密封液压缸无 法使 用 。因此，作为变间隙密封 液压缸 关键 部件 的变 形活 塞 ，其承载能力严重制约了液压缸 的工作能力。 本文通过应力分析，给出了变形活塞临界载荷的计算 方法，并在此基础上提出了防过载策略。这为变形活塞的 强度设计和变间隙密封液压缸的安全使用提供了参考。 1 活塞唇边的应力状态分析 1 ． 1变形活塞的结构和受载分析 区别于普通液压缸活塞 ，变形活塞是在活塞 的两 端各加工一层微 薄的变 形唇边 唇边 厚度一般不大 于 3 mm，图1 为活塞及变形唇边的结构简图，其中A、B 处为变形唇边， D为变形活塞 的直径 ram，L为变形 活塞的长度 mm，l 为变形唇边的长度 mm，t 为 变形唇边的厚度 mr a ，d 为活塞杆通径 mm。 图2 为活塞及变形唇边载荷分布 图，其 中均布载荷 p 和P 为变形活塞两端面所受 的载荷 MP a ，P Z 为活塞外缘所受载荷 MP a ，其值可根据液压缸间隙 流场的压力分布特性求得。 p 1 图1 活塞及变 形唇 边结构 ∞ 几丁兀丁兀1 T 丌T丌砷 f T T ／ ／ ／／／ ’ i ．a ／／ ／／ _l J Li 图2 活塞及变形唇边载荷分布 Z 变间隙密封液压缸间隙流场区域是由变间隙流场区 域和恒问隙流场区域两部分组成 ，并且变 间隙流场区域 只是整个流场 区域中的一小部分 ，变形唇边的变形对整 个流场压力分布的影响较小，因此在分析液压缸间隙流 场 区域压力分布时，可将该流场近似为恒 间隙流场，而 根据恒间隙流场的压力分布特性 ，可求得液压缸间隙流 场沿轴 向的压力分布P z ，则 p z P l 一 z 0 z L 收稿日期2 0 1 5 - 0 5 - 0 4 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 4 7 5 3 3 8 作者简介陈亮 1 9 9 0一 ，男，湖北宜昌人，硕士研究生，研究方向为液压元件的结构分析及优化。 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 0 g 下 [ 8 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 在本文 中，假设变形活塞左端所受载荷为进油油 压 ，右端为回油油压，则p 可近似的取为0 MP a ，因此 -一 z 。 1 ． 2活塞唇边的应力状态分析 由变形活塞的受载分析可知承受进油油压一侧 的唇 边是变形活塞上最危险的部位，因此本文选取图2 中变 形活塞左端面的唇边作为研究对象，分析活塞唇边的应 力状态。为便于进行应力状态分析，本文采用下述方式 在活塞左端面的变形唇边上截取一微单元体用两个相 距为d z 、垂直于z 轴 的截面，从受载的变形活塞上截出 厚度为d z 的薄圆环，再用半径为r 和r d r 的两个圆柱面 以 及夹角为d 0的两个过轴线的纵截面，从薄圆环 中截出 一 微单元体，此单元体及其受力可见图3 ，其中o 为轴 向应力 MP a ，G 为径向应力 MP a ，6 。 为周向应 力 MP a [4 1 。 z 图3 变形唇边 中的微单元体及其应力状态分布 由于唇边的厚度t 远小于活塞 的直径D D ／ t 2 0 ， 因此可将唇边受载模型简化为两端受均布、轴 向受线性 分布载荷的薄壁圆筒进行应力状态分析 ，则据薄壁圆筒 的应力计算公式可知 o 一Pl o， p z 一P l G。 D 二 ￡ 轴 向应力o 作用 的截面就是唇边轴 向压缩的横截 面，这类截面上没有切应力。径 向应力o ， 作用的截面是 唇边沿径向压缩的截面，这类截面上也不存在切应力。 载荷在轴 向截面上是轴对称分布的，所以在周 向应力o 。 作用的截面上也没有切应力。则按照主应力记号的规定 和o ，o ， ，o 0 之 间的大小关系 ，可知三个主应 力6 。 ． [ 8 4 j 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 0 0 下 a 2 ，和a3 分别为 G D o 2 o p z 一P 1 33 o 一P1 2 变形活塞临界载荷的计算 变形活塞所受载荷超过临界值时，首先发生失效的 部位是唇边，唇边的材料一般为铝青铜，这类材料属于 塑性材料，通常以塑性屈服的形式失效，适用第三强度 理论 最大切应力理论 ，该理论的屈服准则为 o1 一 o 3 [ o】 1 式中许 用应力 】 C Y ／ r 1． ，n 为安全 因数 一般大 于1 ，o 为变形活塞 的屈服极限 MP a ，其值可通 过唇边材料的机械性能确定。 将a1 ，o2 ，和a3 带入式 1 ，并取无纲量 D／ t ， z ／ L 可得 P ≤ [o ]／ 0 0 ．5 z D 则活塞变形唇边沿Z 轴方 向各处的临界载荷为 P l [o ] ／ 1 -I- 0 ． 5 z D 由上式可知，当z l 时 ，p l 有最小值 ，这说 明活塞 与变形唇边的连接处是最容易发生塑性变形的区域，同 时，该连接处截面的尺寸存在突变，此处应为活塞上的 应力集中部位 ，属于危险截面。因此，可取活塞与变形 唇边连接处能承受的最大压力作为变形活塞的临界载荷 P ，则 P [o ]／ 1 o ．5 1 D 2 其中， ／ ／ L。 3 算例 在算例 中选取的活塞和变形唇边的尺寸参数如下 变 形 唇边 厚度 t 2 ram，长 度 l 1 0 mm，活 塞 半 径 r 2 6 2 ． 5 mm，活塞长度L 5 0 mm，唇厚比 3 1 ． 5 ，唇长 比T o ． 2 。唇边和活塞的材料为铝青铜 QAL，该材 料的屈服极限o 1 7 0 MP a ，安全因数n 1 ． 3 ，则许用应 力 [ o] 1 3 0 ． 7 MP a ，因此根据式 2 ，计算可得该变形活 塞临界载荷P 。 r 3 1 ． 5 MP a 。 4 防过载策略 本文提 出的变形活塞防过载策略主要包括下述三 部分 1 提高变形活塞的临界载荷值 。如式 2 所示，变 形活塞的临界载荷值会随着变形活塞唇厚比D和唇长比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的减少而上升 ，因此 ，在不影响变形活塞使用 的情况 下，可通过合理 的设计变形活塞 的唇厚 比和唇长比来提 高变形活塞的临界载荷值，从而防止变形活塞在较低载 荷下发生过载 。 2 给变 间隙密封液压缸加装溢流 。溢流 阀具 有调压卸荷 的功能，因此在该类液压缸使用过程中，可 布置如图4 所示的过载保护油路 ，在液压缸进、出油 口 处各安装灵敏度高且响应快的溢流阀作安全阀使用，其 中溢流阀的开启压力须小于P l 变间隙密封液压缸2 、3 溢流 阀 图4加装溢流阀的油路图 3 在回路中安装减压阀，减小液压冲击对活塞变 形唇边的影响。液压缸活塞在换向和停止运动时，由于 油液的换 向和活塞的惯性作用，会使液压缸内瞬问形成 很高的峰值压力，导致变形唇边受到很大 的冲击，为减 少液压冲击对变形唇边的冲击作用，可在液压系统中加 装减压阀，使液压缸活塞在换向和停止运动前即进行减 速 ，起到减小液压冲击的效果。 5 结束语 本文通过对变形活塞进行应力分析，从变形唇边塑 性屈服的角度，给出了一种变形活塞临界载荷值的计算方 法，并据此给出了该类液压缸的防过载策略，为变间隙密 封液压缸活塞的强度设计及其安全使用提供了参考。 参考文献 [ 1 】 付 曙光， 文 明， 杨浩 ， 等． 压力补偿变 间隙密封液压缸研究 【 J 】 ． 液压 与气动 ，2 0 1 5 ，0 1 。 【 2 】 【 3 】 【 4 1 【 5 ] 【 6 】 涂 威． 间隙密 封液压缸导 向套及活塞变 形研究【 D】 ． 武汉 武汉 科 技大学， 2 0 1 3 ． 陈卓如 ， 王洪杰 ， 刘全忠 ． 工程流体 力学【 M】 t 京 高等教育 出版 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c i n s t a b i l i t y i n b r e a s t c a n c e r b y c o n fo c al mi c r o s c o p y a n d 3 D i ma g e a n a l y s i s [ A] ．An n u a l I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o f t h e I E E E E n g i n e e ri n g i n Me d i c i n e a n d Bi o l o g y [ C ] ． 1 9 9 9 2 8 2 2 8 2 6 ． 马义 德， 苏茂君， 陈锐． 基 于P C NN的图像 二值化及分割评价方法 【 J ] ． 华南理工大学学报 自然科学版 ．2 0 0 9 ， 3 7 5 4 9 5 3 ． 章毓 晋． 一种评价图像分割技术 的新方法 【 J 】 ． 模式识别与人 工智 能． 1 9 9 4 ，7 4 1 9 9 3 0 4 ． 侯 格贤， 毕笃彦， 吴成柯 ． 图象分割 质量评价方法 研究【 J 】 中国图 象图形学报 ． 2 0 0 0 ， 5 1 3 9 4 3 ． Ni e s s e n W J ， Bo uma C J ，Vi n c k e n K L e t a 1 ．Er r o r me t r i c s f o r q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n o f me d i c a l i ma g e s e g me n t a t i o n [ J ] ． P r o c ． T h e o r e t i c al Fo u n d a t i o n s o f Co mp u t e r Vi s i o n ． 1 9 9 8 2 7 5 2 8 4． Ch a l a n a V，Ki m Y．A m e t h o d o l o gy f o r e v a l u a t i o n o f b o u n d a r y d e le ti o n a l g o r i t h ms o n me d i c a l i ma g e s [ J ] ． I EE E T r a n s ． Me d i c a1． I ma g i n g ． 1 9 9 7 ， 1 6 6 642 6 5 2 ． 【 1 0 】 R a n j i t h U， Ca r o l i n e P ， Ma r t i a l H． T o wa r d o Ne c t i v e e v a l u a t i o n o f i ma g e s e g me n t a t i o n a l g o r i t h ms [ J ] ． I EE E Tr a n s ． On P a t t e r n An a l y s i s An d Ma c h i n e I n t e l li g e n c e ． J u n e 2 0 0 7 ， 2 9 6 9 2 9 9 4 4 ． 【 l 1 ] Ra n j i t h U， Ca r o l i n e P ， Ma r t i a l H． A me a s u r e f o r o b j e c t i v e e v a l u a t i o n o f i ma g e s e g me n t a t i o n a l g o r i t h ms [ A] ．P r o c ． I E E E Co mp u t e r So c i e t y Co n f e r e n c e on Co mp ut e r Vi s i o n a n d P a t t e r n Re c o g n i t i o n C VP R’ 0 5 【 C 】 ． 2 0 0 5 3 4 4 1 ． 【 1 2 】 Ra n j i t h U， Ma r t i a l H． Me a s u r e s o f S i mi l a r i t y【 A】 ． P r o c ． 7 t h I E E E Wo r k s h o p o n Ap p l i c a t i o n s o f C o mp u t e r V i s i o n WAC V／ MO T I O N’ 0 5 [ C1 ． 2 0 0 5 ． 1 3 9 4 4 0 0 ． 【 1 3 ] F e n g G， S o n g W ， a n d L i u T C． I ma g e S e g me n t a t i o n E v a l u a t i o n F r o m the P e r s p e c ti v e o f S al i e n t O b j e c t E x t r a c t i o n [ A ] ． P r o c ． I E E E Co mp ut e r S o c i e t y Con f e r e n c e o n Co mp u t e r Vi s i o n a n d Pa t t e r n R e c o g n i t i o n C VP R’ 0 6 【 C 】 ． 2 0 0 6 9 8 一 l l 4 ． 【 1 4 】 Z h a n g H， F ri t t s J E ， Go l d ma n S A． An E n o p y b a s e d Ob j e c t i v e E v a l u a t i o n Me t h o d f o r I ma g e S e g me n t a t i o n [ J 】 ， P r o c ． S P I E St o r a g e a n d Re t r i e v a l M e tho d s a n d Ap p l i c a tio n s for M u l t i m e d i a ． 2 0 0 3 ， 5 3 7 3 8 4 9 ． 【 1 5 】 Z h a n g H， F r i t t s J E ， Go l d ma n S A． Me t a - Ev a l u a t i o n o f I ma g e S e g me n t a t i o n Us i n g Ma c h i n e L e a r n i n g [ J ] ． P r o c ． I E E E C o mp u t e r S o c i e t y Co n f e r e n c e o n Co mp u t e r Vi s i o n a n d P a t t e r n Re c og n i ti o n C VP R’ 0 6 ．2 0 0 6 l 1 3 8 1 1 4 5 ． [ 1 6 】闵超波， 张俊举 ， 常本 康． 无 需先验知 识 的红 外显著 性 目标分 割 评价准 J J [ J 1 ． 模式识别与人工智 能． 2 0 1 3 ， 2 6 1 2 1 1 0 6 1 1 1 4 ． 第3 7 卷第9 期2 o 1 5 一 o g 下 [ 8 5 1 Ⅲ 嘲 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m