高压液压缸受力变形研究
作者：陈勇
来源：《中国新技术新产品》2011年第13期
摘要：本文介绍了某种高压液压缸的受力变形问题，其中包括高压液压缸的结构以及各零件的材料，液压缸工况及配合性质，液压缸工作过程中的受力状态。
重点分析了液压缸主要部件的受力与变形位移以及变形位移对液压缸配合性质的影响。
综合以上分析结果，归纳出高压液压缸的设计研究过程中需要注意的问题。
关键词：高压；液压缸；变形；设计
中图分类号：TG315.4 文献标识码：A
高压液压缸是某种核电辅具中的关键部件，其运行速度低、活塞杆承受轴向压力的作用、保压时间长、使用频繁。
目前，国内核电现场所用的国产高压液压缸存在的问题是内泄大、不能长时间保压及使用寿命低等。
由于核电现场要求的特殊性以及精度控制要求严格，目前国内使用的高压液压缸主要依靠进口，费用极高并且受到各方面的限制。
因此，开发出结构合理，使用寿命长的高压液压缸是完善这种核电辅具的重要课题，并且可以为实现该种辅具的国产化奠定基础。
1 高压液压缸简介
1.1 液压缸主体结构
该种核电辅具所用液压缸为柱塞式液压缸，它是一种单作用式液压缸，靠液压力实现一个方向的运动。
其结构主要由三部分组成：
（1）活塞。
材料为30CrNiMo8V，力学性能如下：抗拉强度Rm840-940N/mm2；屈服强度Re≥640 N/mm2；断后伸长率A5≥12%；冲击功KV≥45J；硬度248-278 HB30
（2）缸体。
材料为42CrMo，力学性能如下：抗拉强度Rm560-760N/mm2；屈服强度
Re≥360 N/mm2；断后伸长率A5≥12%；冲击功KV≥45J；硬度166-225 HB30
（3）缸盖。
材质为42CrMo，材料力学性能如下：抗拉强度Rm840-940N/mm2；屈服强度Re≥640N/mm2；断后伸长率A5≥12%；冲击功KV≥45J；硬度248-278 HB30
1.2 液压缸的工况及结构分析
液压缸的工作压力P=92.0MPa，设计最大压力为Pmax=100.0MPa。
在辅具的使用过程中，液压缸工作频繁，工作压力过大。
在高压状态下需要较长时间保压。
液压缸其主要配合面为活塞与缸体的两个配合面，其配合均为间隙配合，Φ360H7/f7配合的最大间隙： Xmax=0.11mm，最小间隙：Xmin=0.056mm；Φ180H7/f7配合的最大间隙：Xmax=0.093mm，最小间隙：Xmin=0.05mm。
液压缸工作时，高压腔为下腔，活塞高压区域面积S1=19075.5mm2。
缸体高压区域面积缸体底部：S2=S1=19075.5mm2，缸体四周：S3=1130.4h（mm2）。
其中h为液压缸工作过程中活塞的位移，单位mm。
2 传统高压液压缸的受力变形分析
高压液压缸安装时缸体固定，在下腔中通入高压液压油，由活塞带动拉杆向上移动从而实现核电现场的工作要求，并且在高压作用下需要保压一段时间。
由于该种辅具应用场合的特殊性，所以对液压缸的设计结构及制造精度具有很高的要求。
2.1 高压液压缸的受力分析
液压缸工作时在下腔中通入高压液压油，工作压力可达92MPa。
下腔活塞的主要受力面为120尺寸面得下端面，缸体受力面为缸体底部以及缸体四周与液压油的接触面。
在整个液压缸的受力面上各部位压强相同。
活塞下端面受力：F1=PS1=1754.9KN
缸体受力：缸体底面受力：F2=F1=1754.9KN；缸体周边受力：F3=PS3=1040hKN
由以上分析可知，液压缸在工作过程中高压腔的受力均比较大，在如此大的压力作用下，活塞、缸体必然产生弹性变形，从而导致活塞、缸体的几何结构发生变化。
2.2 高压液压缸主体部件的变形分析
在压力作用下，由弹性变形而引起的活塞、缸体的几何结构变化是一定的，即活塞向被压侧弯曲，直径变大；缸体外圆面向外扩张，直径变大；缸体底面向外弯曲。
现对液压缸在受力状态下的变形进行模拟分析，模拟压力为92MPa，以确定液压缸各组件的变形情况。
活塞Φ360f7部分在径向的变形位移为0.10mm，其数值已接近两者配合的最大间隙
0.11mm；缸体Φ360H7尺寸面在径向变形位移为0.18mm，在高压腔以外的部分，缸体变形逐渐递减。
活塞Φ360f7部分在竖直方向上的变形位移为0.20mm，缸体在竖直方向上的变形位移各位置不相同，底部最小，变形位移为0.059mm，向上逐渐增大，在高压腔上液面处达到最大值0.11mm，以后逐渐递减。
活塞Φ360f7部分在径向和轴向的变形直接影响到活塞与缸体的配合性质，由于缸体
Φ360H7尺寸面在高压腔以上的部分径向和轴向的变形位移很小，而活塞的变形位移相比缸体变形大的多，所以液压缸在工作过程中活塞轴向运动会与缸体产生刚性接触，将缸体内壁划伤，照成液压缸内泄严重而不能达到设计要求压力，并且不能保压。
活塞Φ180f7部分在径向向内收缩，变形位移分别为0.02mm；轴向向下拉伸，变形位移为0.003mm。
缸体Φ180H7尺寸面在径向收缩，变形位移为0.09mm，轴向上翘，变形位移为0.056mm。
沿轴线向下，缸体的以上两个变形位移逐渐减小。
由于活塞向内收缩的变形位移比较小，并且缸体向外扩张的变形位移亦较小，所以Φ180H7/f7配合面上的变形位移对配合要求不会产生大的影响，亦不会造成缸体与活塞之间的刚性接触而产生表面划伤。
在选取密封圈压缩量足够的情况下不会导致液压缸在Φ180H7/f7的配合面处发生泄露。
3 结论
3.1 关于液压缸材料的选取
选取材料是设计高压液压缸的重要环节，首先要考虑构件抵抗破坏的能力，即强度要求。
其次还要考虑构件抵抗变形的能力，即刚度要求。
原因是抵抗破坏的能力仅仅是保证了构件在外力的作用下不会被破坏，而没有考虑在外力作用下构件本身几何结构的变化。
刚度要求充分考虑了构件在外力作用下保持本身几何结构的能力，保证构件本身几何结构的变化在允许的范围内。
构件的变形量与其材料的性能具有直接的关系，材料本身抵抗变形的能力与材料的三个弹性常量，即弹性模量E、泊松比μ以及剪变模量G有关，对于各向同性材料三者之间的关系为[1]
E=G/2（1+μ）
在零件材料的选取过程中，要充分考虑零件材料本身的力学性能，选取E、G值较大的材料，从而保证零件的刚性得到加强。
3.2 关于液压缸零部件的结构
由以上的分析可知，液压缸在工作过程中由于受到高压油的压力作用，活塞、缸体均会产生不同程度的变形。
变形可以直接影响到活塞与缸体之间的配合性质，甚至会使活塞与缸体之间形成刚性接触。
配合性质发生变化必然导致密封件的压缩量产生变化，导致密封失效；活塞与缸体发生刚性接触必然导致配合密封面的划伤，导致密封失效，产生内泄。
所以在进行液压缸的设计过程中要合理设计各零部件的结构，一方面增加零件的刚性，一方面减小零件产生变形导致的密封失效。
参考文献
[1]刘鸿文.材料力学-2版（修订本）.北京：高等教育出版社，1992.。