液壓缸端蓋與外筒卡圈連接結(jié)構(gòu)探索

陳育良，魯?shù)掳l(fā)，張成亮，袁 珽

（中航飛機起落架有限責任公司，湖南 長沙410200）

0 引言

液壓缸是飛機常用液壓附件之一，為了結(jié)構(gòu)布局需要，通常把液壓缸端蓋與外筒設(shè)計為可拆卸的兩個零件，采用螺紋密封結(jié)構(gòu)連接，這種連接結(jié)構(gòu)零件的加工和安裝會直接影響液壓缸性能，是領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注研究的焦點之一[1-4]。

一般研究認為，液壓缸密封性能容易受螺紋連接影響[1，5]，并且長期使用過程中，螺紋連接存在容易咬死[6]、易松動[7，8]、螺紋易應(yīng)力集中[9]等缺陷。

為此本文提供一種液壓缸端蓋與外筒卡圈連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可替代螺紋連接，用于液壓缸外筒與端蓋之間連接。通過有限元分析對比兩種結(jié)構(gòu)的各零件受力，探索新結(jié)構(gòu)應(yīng)用于液壓缸外筒與端蓋之間連接的優(yōu)劣。

1 液壓缸端蓋與外筒連接結(jié)構(gòu)

目前，液壓缸端蓋與外筒間連接主要采用螺紋連接結(jié)構(gòu)，典型結(jié)構(gòu)見圖1，主要由端蓋、墊片、密封件、外筒組成。該連接形式存在以下兩方面缺陷：一方面，裝配時液壓缸外筒與端蓋相對扭動，增加密封件受損的風險；另一方面，加工過程中螺紋存在缺陷，導致結(jié)構(gòu)抗疲勞效果不佳，且大載荷工況下容易產(chǎn)生螺紋咬死，導致液壓缸外筒及其端蓋損壞。

圖1 液壓缸端蓋與外筒間螺紋連接意圖

本文設(shè)計的卡圈連接結(jié)構(gòu)主要由外筒、端蓋、卡圈、調(diào)節(jié)墊片、止動卡套和止動螺釘組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液壓缸端蓋與外筒間卡圈連接示意圖

外筒凸臺柱面與調(diào)節(jié)墊片外緣弧面均同端蓋內(nèi)壁配合安裝，外筒外壁與端蓋內(nèi)壁之間形成間隙，卡圈通過間隙嵌入端蓋開口卡圈槽內(nèi)，調(diào)節(jié)墊片與外筒凸臺依次卡在端蓋底面和卡圈之間，卡圈內(nèi)壁與外筒外壁形成間隙。通過端蓋內(nèi)壁與外筒外壁、卡圈內(nèi)壁與外筒外壁的間隙安裝止動卡套，止動卡套為臺階形式，大直徑外壁柱面與端蓋內(nèi)壁配合，內(nèi)壁與外筒外壁貼合，臺階軸向環(huán)形面與卡圈徑向面軸向端面配合面貼合，小直徑外壁柱面與卡圈內(nèi)壁貼合，把卡圈限制在端蓋卡槽內(nèi)。止動卡套小直徑局部端頭沿軸向設(shè)有的卡鍵與外筒凸臺內(nèi)端面局部沿軸線開設(shè)的卡槽交互配合連接，限制外筒與端蓋相對轉(zhuǎn)動。通過設(shè)置端蓋止動螺釘完成止動卡套的固定。

其中各零件具體設(shè)計要求如下：

（1）調(diào)節(jié)墊片內(nèi)徑等于或略小于外筒內(nèi)徑，外徑等于端蓋內(nèi)徑，厚度根據(jù)安裝需要可調(diào)節(jié)，其材料可選用紫銅一類金屬，增強結(jié)構(gòu)的密封性能。

（2）端蓋開口端設(shè)有卡槽，卡槽為半圓弧面與卡圈外緣弧面配合，其位置能保證外筒凸臺和調(diào)節(jié)墊片卡在卡圈和端蓋底面之間，端蓋開口端止動螺釘孔設(shè)計在裝配好的止動卡套大直徑部分外壁柱面中間。

（3）外筒凸臺內(nèi)端卡槽與止動卡套端頭卡槽交互配合連接，安裝后外筒外壁與端蓋內(nèi)壁間隙應(yīng)滿足卡圈和止動卡套的安裝需求。

（4）卡圈內(nèi)徑大于或等于外筒外徑，裝入端蓋卡槽后小于端蓋內(nèi)壁直徑，保證卡住外筒凸臺和調(diào)節(jié)墊片。其外緣弧面與端蓋卡槽配合，卡圈的厚度等于端蓋卡槽徑向投影高度，卡圈軸向投影環(huán)形面能被端蓋內(nèi)壁與外筒外壁間的環(huán)形間隙軸向投影覆蓋?？ㄈ鶆蚍殖?段，相鄰兩段間留有微小間隙，以滿足安裝需要。

（5）止動卡套為對稱的兩片，其軸向投影等于液壓缸外筒外壁與其端蓋內(nèi)壁之間的軸向投影環(huán)形面，止動卡套外壁徑向投影設(shè)計成階梯狀。止動卡套大直徑部分外壁柱面與液壓缸端蓋內(nèi)壁貼合，小直徑部分外壁柱面與卡圈內(nèi)壁貼合，內(nèi)壁與外筒外壁貼合。止動卡套小直徑局部端頭沿軸向的卡鍵與外筒凸臺內(nèi)端面局部沿軸線開設(shè)卡槽交互配合連接。止動卡套臺階軸向環(huán)形面與卡圈徑向面軸向端面貼合。

卡圈連接結(jié)構(gòu)傳力原理：液壓缸外筒受軸向壓載荷時，端蓋壓墊片，墊片壓外筒外端面。液壓缸軸向拉載荷（或內(nèi)部液壓壓力）時，端蓋卡槽帶動卡圈，卡圈壓外筒凸臺內(nèi)端面。

止動限位原理：

止動卡套一端設(shè)置的卡槽和卡鍵與外筒凸臺內(nèi)端面設(shè)計的凹槽和立筋交互咬合配合，另一端由止動螺釘固定在端蓋上，實現(xiàn)端蓋和外筒的扭轉(zhuǎn)止動；止動卡套通過卡圈內(nèi)壁和外筒外壁之間的間隙內(nèi)插，將卡圈擠在端蓋上的卡槽內(nèi)，卡圈徑向面軸向端面之一受止動卡套臺階軸向環(huán)形面限位，卡圈徑向面另一軸向端面受到外筒凸臺內(nèi)端面限位，實現(xiàn)了卡圈的限位止動；外筒凸臺與調(diào)節(jié)墊片軸向受卡圈和端蓋底面限位，徑向受端蓋內(nèi)壁限位，止動卡套通過卡槽限制外筒凸臺扭轉(zhuǎn)，實現(xiàn)外筒與調(diào)節(jié)墊片的止動。

2 與螺紋連接對比分析

建立液壓缸筒卡圈連接結(jié)構(gòu)模型和螺紋連接結(jié)構(gòu)模型分別進行有限元分析。其中卡圈和端蓋配合槽深度與螺紋齒高相當、端蓋和外筒的其他參數(shù)相同，加載條件均為固定約束外筒底面，耳片承受F=30 000 N軸向拉壓載荷。卡圈幾何參數(shù)見圖3，螺紋型號為M48×1.5，各零件材料參數(shù)見表1。

圖3 卡圈幾何參數(shù)示意圖

表1 兩種結(jié)構(gòu)各零件材料參數(shù)表

螺紋連接有限元計算結(jié)果見圖4～圖7，卡圈連接有限元計算結(jié)果見圖8～圖11。

圖4 螺紋連接結(jié)構(gòu)（總體）過軸線剖面應(yīng)力分布

圖5 螺紋連接結(jié)構(gòu)（總體）垂直軸線周向應(yīng)力分布

圖6 螺紋連接結(jié)構(gòu)（端蓋）垂直軸線周向應(yīng)力分布

圖7 螺紋連接結(jié)構(gòu)（外筒）垂直軸線周向應(yīng)力分布

圖8 卡簧連接結(jié)構(gòu)（總體）過軸線剖面應(yīng)力分布

圖9 卡圈連接結(jié)構(gòu)（總體）垂直軸線周向應(yīng)力分布

圖10 卡圈連接結(jié)構(gòu)（端蓋）垂直軸線周向應(yīng)力分布

圖11 卡圈應(yīng)力分布

圖12 卡圈連接結(jié)構(gòu)（外筒）垂直軸線周向應(yīng)力分布

由有限元計算結(jié)果的應(yīng)力云圖對比可知：

（1）卡圈連接結(jié)構(gòu)，卡圈位置垂直軸線周向應(yīng)力分布對稱性較好；螺紋連接結(jié)構(gòu)載荷集中在前三扣，垂直軸線周向應(yīng)力分布對稱性差。

（2）螺紋前三扣垂直軸線周向面上的應(yīng)力，普遍小于卡圈位置垂直軸線周向面上應(yīng)力。

這主要是因為螺紋幾何圖形本身不對稱，導致參與螺紋主要承力的前幾扣，垂直軸線周向面上的應(yīng)力不對稱；其次，螺紋咬合圈數(shù)多，而且螺距大小可選，可降低連接部分總體應(yīng)力。導致螺紋前三扣垂直軸線周向面上的應(yīng)力，普遍小于卡圈位置垂直軸線周向面上應(yīng)力。同時應(yīng)力分布，是理論假設(shè)條件下的計算結(jié)果。根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗，一方面螺紋加工過程中，會存在不同程度的缺陷，即抗疲勞性能不佳；另一方面端蓋與外筒連接采用螺紋連接方式，安裝過程易損傷密封件。

綜上，卡圈連接結(jié)構(gòu)在一定條件下具備替代螺紋連接，用于液壓缸端蓋與外筒連接的能力。并在一定程度上具備提高液壓缸耐久性、承載性能、密封性能的能力，為液壓缸外筒與端蓋之間連接形式提供了多樣性的選擇。

3 結(jié)束語

螺紋連接長期以來被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)連接，并被深入研究。本文嘗試設(shè)計一種卡圈連接結(jié)構(gòu)替代常用的螺紋連接結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于液壓缸端蓋與外筒之間，為液壓缸端蓋與外筒之間連接提供了多樣性選擇。本用于端蓋與外筒連接的卡圈連接結(jié)構(gòu)已申請專利，專利號：ZL201820938928.8?？梢灶A見，卡圈連接結(jié)構(gòu)將會得到更廣泛應(yīng)用，液壓缸端蓋與外筒之間也會有更多的連接形式被設(shè)計出來。