水刀切割機(jī)中超高壓預(yù)應(yīng)力復(fù)合缸體研究
針對(duì)水切割機(jī)中高壓缸經(jīng)常爆裂的現(xiàn)象，本文研究了預(yù)應(yīng)力缸體、高壓缸的失效原因及預(yù)應(yīng)力缸體的基本特點(diǎn)，最后進(jìn)行了缸體疲勞實(shí)驗(yàn)。
高壓水射流切割技術(shù)是特種加工工藝家族的新成員。高壓水射流切割是利用具有很高動(dòng)能的高速射流進(jìn)行加工，既能切割各種非金屬材料，又能切割各種硬、脆、塑性材料，如欽鎳合金、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等，同時(shí)具有質(zhì)量高、經(jīng)濟(jì)性好、效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)。 高壓水射流切割的諸多優(yōu)點(diǎn)賦予了其廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多研究成果表明:一個(gè)能根據(jù)實(shí)際要求需要自如地控制各種類(lèi)型高壓水射流技術(shù)特征、造福人類(lèi)的新時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。 然而，國(guó)內(nèi)的高壓水射流切割加工剛起步，諸多關(guān)鍵技術(shù)如高壓缸的性能、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)密封、磨料和水的快速混合等都未能徹底解決，阻礙了其推廣應(yīng)用。 高壓缸是水切割機(jī)的核心部分，其性能好壞是水切割機(jī)的成敗關(guān)鍵。由于其承受較高壓力(大約為200MPa-400MPa，還伴有交變載荷或沖擊載荷，如果活塞的運(yùn)動(dòng)頻率按每分鐘四十次記，則其疲勞壽命必須在數(shù)百萬(wàn)次以上。故高壓缸除了需具有足夠的強(qiáng)度之外還要求具有極高的疲勞壽命。如果只改變缸體的材料，如選用高強(qiáng)度合金鋼，很難達(dá)到這些指標(biāo)。本文針對(duì)高壓缸在使用過(guò)程中經(jīng)常爆裂的問(wèn)題，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力理論對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了其疲勞壽命。1 高壓缸的工作原理及其失效形式
現(xiàn)以某公司KSX1520H型水切割機(jī)增壓器(圖)為例，說(shuō)明高壓缸的工作原理。
低壓液壓油在油泵作用下進(jìn)入油缸，推動(dòng)液壓活塞自左死點(diǎn)向右死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，與之相連接的柱塞使高壓缸內(nèi)的水增壓。水經(jīng)過(guò)進(jìn)水單向閥進(jìn)入高壓缸，在活塞作用下經(jīng)出水單向閥排出。在兩個(gè)反向柱塞的作用下，當(dāng)一個(gè)處于吸入行程時(shí)，另一個(gè)處于排出行程，周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成連續(xù)波動(dòng)的水射流。 在實(shí)際工作過(guò)程中其主要失效形式為缸體端部出現(xiàn)疲勞裂紋，導(dǎo)致高壓水泄露，水壓迅速降低，無(wú)法完成預(yù)定的切割目的。 在設(shè)計(jì)高壓缸時(shí)，我們采用彈性失效準(zhǔn)則，即認(rèn)為當(dāng)缸體內(nèi)壁上應(yīng)力最大點(diǎn)達(dá)到材料的屈服極限，缸體就失效.我們?cè)谠O(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力缸體時(shí)采用Tresca強(qiáng)度條件進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)。2 預(yù)應(yīng)力復(fù)合缸體的基本特點(diǎn) 單層缸的內(nèi)壁是其強(qiáng)度最薄弱之處，起關(guān)鍵作用的是該處的周向應(yīng)力6,，而徑向應(yīng)力6,恒等于內(nèi)壓尸;之負(fù)值，這是無(wú)法改變的。預(yù)應(yīng)力復(fù)合缸體的基本思想就是在缸體內(nèi)壁預(yù)先建立一種周向壓應(yīng)力，和拉伸的工作周向應(yīng)力疊加，從而大大減小甚至于完全消除周向拉應(yīng)力。這樣就帶來(lái)一系列靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度上的優(yōu)點(diǎn)。 和非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比，預(yù)應(yīng)力復(fù)合缸體有兩種獨(dú)立的力學(xué)狀態(tài)，所謂等強(qiáng)設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮缸體各點(diǎn)的等強(qiáng)，更重要的是使缸體在兩種力學(xué)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)相同，否則缸體必然受到兩種狀態(tài)強(qiáng)度較低的一種的限制。對(duì)另一種強(qiáng)度較高的狀態(tài)來(lái)說(shuō)，材料的強(qiáng)度潛力并未得到充分的發(fā)揮和利用。計(jì)算表明，只要對(duì)缸體預(yù)緊到某一特定程度，即當(dāng)預(yù)緊系數(shù)相等時(shí)才能達(dá)到兩種狀態(tài)等強(qiáng)，稱(chēng)為最大承載能力預(yù)緊系數(shù)，為方便起見(jiàn)，在后面的推導(dǎo)過(guò)程中，η、 ηp均以絕對(duì)值代入。 由此可知，預(yù)應(yīng)力缸的最大承載能力為σ1而單層缸的極限承載能力σ1/2，假定單層缸與預(yù)應(yīng)力缸的σb及n相同，則預(yù)應(yīng)力缸的承載能力比單層缸提高2倍。上述推導(dǎo)采用了預(yù)緊系數(shù)的概念，并未涉及到具體的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，故它對(duì)任何一種建立在彈性失效基礎(chǔ)上的預(yù)應(yīng)力缸體是普遍適用的。2.2疲勞強(qiáng)度高
壓縮平均應(yīng)力使疲勞極限應(yīng)力幅增大，疲勞強(qiáng)度和壽命增加。高壓缸在實(shí)際使用過(guò)程中，缸體的破壞主要是以?xún)?nèi)壁裂紋形式出現(xiàn)。而預(yù)應(yīng)力復(fù)合缸體的應(yīng)力變化在負(fù)范圍內(nèi)，有效地抑制了裂紋的增長(zhǎng)，從而增加了其疲勞壽命。
3 預(yù)應(yīng)力缸體的設(shè)計(jì) 由于高壓缸體的內(nèi)壁一般是應(yīng)力最危險(xiǎn)的區(qū)域，而徑向應(yīng)力又總是與內(nèi)壓數(shù)值相當(dāng)方向相反，因此改進(jìn)的方向是減少或消除該處的周向拉應(yīng)力。 在缸體設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到加工工藝及其制造成本，故將高壓缸設(shè)計(jì)成兩層套裝結(jié)構(gòu)。即將兩層缸體以一定的過(guò)盈配合裝配起來(lái)，從而在第一層缸體內(nèi)壁建立周向預(yù)壓應(yīng)力，用以抵消在工作載荷作用下內(nèi)壁產(chǎn)生的周向拉應(yīng)力。4 缸體疲勞實(shí)驗(yàn) 預(yù)應(yīng)力缸體研究的最終目的，就是確定提高缸體的疲勞壽命。疲勞壽命是設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員十分關(guān)注的課題。無(wú)論是缸體的內(nèi)層還是缸體的外層，當(dāng)結(jié)構(gòu)此寸給定后，在預(yù)緊狀態(tài)和合成狀態(tài)，其各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)用公式可以求解。當(dāng)材料的持久極限給定后可以粗略地預(yù)測(cè)出其疲勞壽命。 然而，要精確計(jì)算在復(fù)雜疲勞載荷作用下的疲勞壽命估算又是一個(gè)十分困難的問(wèn)題。因必須有精確的載荷譜，材料特性或S-N曲線(xiàn)等，同時(shí)還要把一些影響疲勞壽命的主要因素考慮進(jìn)去，要做到這點(diǎn)，目前還十分困難。 為了得到高壓缸實(shí)際的使用壽命，作者自2002年8月以來(lái)以某廠的KSD1520H水切割機(jī)為平臺(tái)，進(jìn)行了疲勞實(shí)驗(yàn)。該機(jī)每天至少連續(xù)工作15h,缸體壽命現(xiàn)以累計(jì)達(dá)到2500h。目前尚未出現(xiàn)高壓缸漏水現(xiàn)象，工作狀況良好。但由于高壓缸疲勞破壞的復(fù)雜性，其疲勞壽命尚需進(jìn)一步確定。5結(jié)論
上述理論分析及疲勞實(shí)驗(yàn)表明，采用預(yù)應(yīng)力理論設(shè)計(jì)水切割機(jī)高壓缸是完全可行的，它能滿(mǎn)足工程實(shí)際要求，大大地提高了缸體的承載能力及疲勞壽命，從而進(jìn)一步提高了切割機(jī)的性能。隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的進(jìn)一步推廣，預(yù)應(yīng)力復(fù)合缸體將應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域內(nèi)。
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