施加彎矩載荷的液壓缸設(shè)計(jì)方法

施加彎矩載荷的液壓缸設(shè)計(jì)方法摘要：為了模擬復(fù)雜外環(huán)境，設(shè)計(jì)出針對(duì)該試驗(yàn)載荷的液壓缸，結(jié)合邊界條件轉(zhuǎn)化成對(duì)液壓缸的需求，進(jìn)而確定關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)出合適的執(zhí)行元件，完成試驗(yàn)。關(guān)鍵詞：深海環(huán)境；彎矩載荷；液壓缸；執(zhí)行元件中圖分類號(hào)：TH137；TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B文章編號(hào)：2095-1302（2017）05-00-020引言某壓力艙用于模擬深水極端載荷環(huán)境，對(duì)輸油管件、閥門、ROV等深海裝備進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。該壓力艙體內(nèi)部充滿穩(wěn)定的高靜水壓力，需要對(duì)管道試件施加側(cè)向彎矩載荷。在試驗(yàn)中如何有效施加該載荷，成為試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。試驗(yàn)需求試驗(yàn)件為 8m長的圓形管道，將外徑為 273.05～630mm的標(biāo)準(zhǔn)系列石油管道放置在直徑為

1200mm

的壓力艙內(nèi)，兩端固定，載荷施加點(diǎn)距固定點(diǎn)

2m。試驗(yàn)需要對(duì)該長度不同截面尺寸的試驗(yàn)機(jī)施加

106N?m

的彎矩，試驗(yàn)時(shí)壓力艙內(nèi)充滿

70MPa密閉液體。施加方案根據(jù)所需彎矩量級(jí)可知，選取液壓缸作為施加載荷的執(zhí)行元件。如果液壓缸放置在艙體內(nèi)，則自身承受 70MPa的外載荷，技術(shù)難度大、成本高，且壓力艙尺寸將會(huì)更大。所以考慮將液壓缸安裝在壓力艙外部，活塞桿深入到壓力艙內(nèi)對(duì)管道施加載荷，這樣特種缸的設(shè)計(jì)就轉(zhuǎn)化成了普通缸設(shè)計(jì)，只需要考慮活塞桿與艙體密封問題即可。液壓缸設(shè)計(jì)3.1液壓缸輸出力的計(jì)算圓形管道兩端固支，因此可以簡化成固定約束 [1]。靜力作用的力學(xué)模型如圖 1所示。根據(jù)一般荷重作用下梁的撓度曲線方程式可以推導(dǎo)出試驗(yàn)管件上的彎矩分布 [2]，如圖 2所示。由此可以看出，只要側(cè)向力等值并對(duì)稱分布，即可在管件中間形成一段不受剪力的純彎矩載荷作用區(qū)域。理論上，彎矩絕對(duì)值的大小為 Fl2/L，與試驗(yàn)管件的截面尺寸無關(guān)。試驗(yàn)需要的彎矩最大值為 106N?m，已知試驗(yàn)管件的長度L為

8m，側(cè)向力的作用位置距離固端的長度

l為

2m，則液壓缸能夠提供的最大荷載

F需要

2MN。3.2根據(jù)推力計(jì)算缸徑及桿徑液壓缸推力首先要滿足試驗(yàn)載荷所需力，同時(shí)還要克服70MPa外壓在桿端的影響。油源壓力已知為 28MPa，可通過式（1）式（2）求得活塞桿直徑及液壓缸內(nèi)徑。液壓缸示意圖如圖 3所示。根據(jù)有效試驗(yàn)載荷要求可知 [3]：1）根據(jù)活塞桿強(qiáng)度要求可知：2）式中，P1為油源壓力28MPa；P2為壓力艙壓力70MPa；D為活塞外徑；d為活塞桿外徑；σ為材料抗拉應(yīng)力，30CrMnSiA材料，屈服強(qiáng)度為835MPa；n為安全系數(shù)，取3。公式聯(lián)立計(jì)算可知：d≥110mm，D≥348mm根據(jù)優(yōu)化選取 D=450mm，d=200mm。液壓缸同時(shí)需要滿足壓桿穩(wěn)定性要求，則可以利用長細(xì)比公式進(jìn)行校核 [4]。此時(shí)活塞桿長細(xì)比式中l(wèi)為桿長，μ為從長度因數(shù)，i為截面慣性矩。代入數(shù)值可得活塞桿為小柔度桿，滿足穩(wěn)定性要求。3.3液壓缸行程計(jì)算根據(jù)管道簡化力學(xué)模型計(jì)算撓度。已知：p=2000kN，a=2m，l=8m，E=210GPa試驗(yàn)件最大撓度為 [5]：3）其中， E為材料彈性模量； I為截面慣性矩， α=a/l，=（π/64）（D4-d4）；加載點(diǎn)C處的撓度為[6]：4）其中：。若D=630mm，d=530mm，則計(jì)算得：fmax=6.579mm，fc=4.112mm；若D=508mm，d=475.74mm，則計(jì)算得：fmax=33.6mm，fc=21mm；??若D=273.05mm，d=255.27mm，則計(jì)算得：fmax=394.4mm，fc=246.5mm。此時(shí)是理論上能在 1200mm內(nèi)徑壓力艙內(nèi)做側(cè)向彎曲的最小規(guī)格油管，外徑小于該油管的試樣由于撓度變形大，將會(huì)接觸艙壁（忽略靜水壓對(duì)試驗(yàn)件剛度的影響） ，考慮到筒內(nèi)其它設(shè)備所占空間，實(shí)際所能做側(cè)彎試驗(yàn)的油管種類可能進(jìn)一步減少。液壓缸加載結(jié)構(gòu)如圖 4所示，由此可知，液壓缸有效行程為l≥350+285+178.5+246.5=1060，考慮支托墊板以及其它連接件的厚度，行程選擇 1000mm。3.4其它參數(shù)設(shè)計(jì)液壓缸的缸徑、桿徑及行程確定后，其它參數(shù)如壁厚、端蓋、連接方式、密封方式等根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)逐項(xiàng)設(shè)計(jì)并校核即可[7]，不再一一列舉。4結(jié)語單純對(duì)液壓缸的設(shè)計(jì)，無論機(jī)械手冊(cè)或液壓手冊(cè)上已經(jīng)有很多計(jì)算公式，普通液壓缸設(shè)計(jì)技術(shù)較為成熟 [8]。即便是非標(biāo)設(shè)計(jì)，很多液壓缸加工廠家的設(shè)計(jì)軟件根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)輸入就可以自動(dòng)完成計(jì)算、校核及出圖。如何把對(duì)試驗(yàn)需求的理解，轉(zhuǎn)化為對(duì)液壓缸等設(shè)備的需求，然后根據(jù)邊界條件明確主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，則是試驗(yàn)實(shí)施人員以及機(jī)械、液壓設(shè)計(jì)人員應(yīng)具備的關(guān)鍵素質(zhì)，也是試驗(yàn)?zāi)芊駡A滿完成的基礎(chǔ)。參考文?I雷天覺.新編液壓工程手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.秦大同，謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.高健，張廉，李穎，等.工程力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.董林福，趙艷春.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010