水刀切割机中超高压预应力复合缸体研究 - 水刀研究院 - 水切割机|水刀切割机设备|水刀厂家

高压水射流切割技术是特种加工工艺家族的新成员。高压水射流切割是利用具有很高动能的高速射流进行加工，既能切割各种非金属材料，又能切割各种硬、脆、塑性材料，如钦镍合金、陶瓷、玻璃、复合材料等，同时具有质量高、经济性好、效率高、污染小等优点。
高压水射流切割的诸多优点赋予了其广阔的应用前景。近年来国内外许多研究成果表明:一个能根据实际要求需要自如地控制各种类型高压水射流技术特征、造福人类的新时代已经到来。
然而，国内的高压水射流切割加工刚起步，诸多关键技术如高压缸的性能、动态和静态密封、磨料和水的快速混合等都未能彻底解决，阻碍了其推广应用。
高压缸是水切割机的核心部分，其性能好坏是水切割机的成败关键。由于其承受较高压力(大约为200MPa-400MPa，还伴有交变载荷或冲击载荷，如果活塞的运动频率按每分钟四十次记，则其疲劳寿命必须在数百万次以上。故高压缸除了需具有足够的强度之外还要求具有极高的疲劳寿命。如果只改变缸体的材料，如选用高强度合金钢，很难达到这些指标。本文针对高压缸在使用过程中经常爆裂的问题，应用预应力理论对其进行设计，并通过实验获得了其疲劳寿命。

1 高压缸的工作原理及其失效形式

现以某公司KSX1520H型水切割机增压器(图)为例，说明高压缸的工作原理。

低压液压油在油泵作用下进入油缸，推动液压活塞自左死点向右死点运动，与此同时，与之相连接的柱塞使高压缸内的水增压。水经过进水单向
阀进入高压缸，在活塞作用下经出水单向阀排出。在两个反向柱塞的作用下，当一个处于吸入行程时，另一个处于排出行程，周期性往复运动形成连续波动的水射流。
在实际工作过程中其主要失效形式为缸体端部出现疲劳裂纹，导致高压水泄露，水压迅速降低，无法完成预定的切割目的。
在设计高压缸时，我们采用弹性失效准则，即认为当缸体内壁上应力最大点达到材料的屈服极限，缸体就失效.我们在设计预应力缸体时采用Tresca强度条件进行数学推导。

2 预应力复合缸体的基本特点
单层缸的内壁是其强度最薄弱之处，起关键作用的是该处的周向应力6,，而径向应力6,恒等于内压尸;之负值，这是无法改变的。预应力复合缸体的基本思想就是在缸体内壁预先建立一种周向压应力，和拉伸的工作周向应力叠加，从而大大减小甚至于完全消除周向拉应力。这样就带来一系列静强度和疲劳强度上的优点。
和非预应力结构相比，预应力复合缸体有两种独立的力学状态，所谓等强设计不仅应考虑缸体各点的等强，更重要的是使缸体在两种力学状态下结构的强度应相同，否则缸体必然受到两种状态强度较低的一种的限制。对另一种强度较高的状态来说，材料的强度潜力并未得到充分的发挥和利用。计算表明，只要对缸体预紧到某一特定程度，即当预紧系数相等时才能达到两种状态等强，称为最大承载能力预紧系数，为方便起见，在后面的推导过程中，η、 η_p均以绝对值代入。由此可知，预应力缸的最大承载能力为σ1而单层缸的极限承载能力σ1/2，假定单层缸与预应力缸的σb及n相同，则预应力缸的承载能力比单层缸提高2倍。上述推导采用了预紧系数的概念，并未涉及到具体的预应力结构，故它对任何一种建立在弹性失效基础上的预应力缸体是普遍适用的。

2.2疲劳强度高
压缩平均应力使疲劳极限应力幅增大，疲劳强度和寿命增加。高压缸在实际使用过程中，缸体的破坏主要是以内壁裂纹形式出现。而预应力复合缸体的应力变化在负范围内，有效地抑制了裂纹的增长，从而增加了其疲劳寿命。

3 预应力缸体的设计
由于高压缸体的内壁一般是应力最危险的区域，而径向应力又总是与内压数值相当方向相反，因此改进的方向是减少或消除该处的周向拉应力。
在缸体设计过程中，考虑到加工工艺及其制造成本，故将高压缸设计成两层套装结构。即将两层缸体以一定的过盈配合装配起来，从而在第一层缸体内壁建立周向预压应力，用以抵消在工作载荷作用下内壁产生的周向拉应力。
4 缸体疲劳实验
预应力缸体研究的最终目的，就是确定提高缸体的疲劳寿命。疲劳寿命是设计人员和工程技术人员十分关注的课题。无论是缸体的内层还是缸体的外层，当结构此寸给定后，在预紧状态和合成状态，其各点的应力应用公式可以求解。当材料的

持久极限给定后可以粗略地预测出其疲劳寿命。
然而，要精确计算在复杂疲劳载荷作用下的疲劳寿命估算又是一个十分困难的问题。因必须有精确的载荷谱，材料特性或S-N曲线等，同时还要
把一些影响疲劳寿命的主要因素考虑进去，要做到这点，目前还十分困难。
为了得到高压缸实际的使用寿命，作者自2002年8月以来以某厂的KSD1520H水切割机为平台，进行了疲劳实验。该机每天至少连续工作15h,缸体寿命现以累计达到2500h。目前尚未出现高压缸漏水现象，工作状况良好。但由于高压缸疲劳破坏的复杂性，其疲劳寿命尚需进一步确定。

5结论
上述理论分析及疲劳实验表明，采用预应力理论设计水切割机高压缸是完全可行的，它能满足工程实际要求，大大地提高了缸体的承载能力及疲劳寿命，从而进一步提高了切割机的性能。随着预应力技术的进一步推广，预应力复合缸体将应用在更广泛的领域内。