大型液壓作動筒用彈簧改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉政宏， 代 龍， 范建博， 金 磊

(中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 陜西西安 710089)

引言

大型液壓作動筒應(yīng)用十分廣泛[1-2]，活塞桿的伸出和收回需要一定壓力的液壓油持續(xù)供入，活塞桿在收回時(shí)，需要將液壓油供入作動筒的收回腔，首先依靠液壓力將作動筒中鋼球鎖打開用以打開鎖緊裝置，而后收回活塞桿；當(dāng)活塞桿伸出時(shí)，液壓油首先供入另一個(gè)鎖鉤裝置并將其打開，之后隨著液壓油持續(xù)供入作動筒的伸出腔。起落架收放作動筒是飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)的執(zhí)行元件，是液壓系統(tǒng)和機(jī)械子系統(tǒng)之間的連接單元[3-7]。在進(jìn)行飛機(jī)起落架作動筒交付驗(yàn)收試驗(yàn)中，在作動筒活塞桿伸出過程中，當(dāng)作動筒活塞桿處于上鎖位置并卸除系統(tǒng)壓力油(14.8 MPa)的瞬間發(fā)出“噔”的響聲。在驗(yàn)收試驗(yàn)的幾件作動筒中，存在異響的作動筒約占50%以上，另外在最終裝機(jī)產(chǎn)品上也出現(xiàn)同樣的異響情況。

1 故障定位

對有異響的作動筒及其內(nèi)部活塞進(jìn)行外觀檢查，無異常情況，而且工作過程中的液壓油壓力符合技術(shù)要求，且作動筒活塞桿伸出和收回工作結(jié)束后活塞桿的露出量也滿足設(shè)計(jì)要求。在對以上異響作動筒進(jìn)行外觀檢查的基礎(chǔ)上，對作動筒內(nèi)部彈簧進(jìn)行互換性試驗(yàn)，將有異響的作動筒中的彈簧裝到其他正常的作動筒中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，異響現(xiàn)象隨著異響作動筒內(nèi)部的彈簧的轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移，因此可判定異響由彈簧引起[8-10]。

2 作動筒工作原理及彈簧受力分析

2.1 作動筒工作原理

作動筒結(jié)構(gòu)的主要組成如圖1所示， 主要由外筒、活塞1、套圈、柱塞、活塞2、彈簧、套筒以及活塞桿組成。

圖1 液壓作動筒工作原理圖Fig.1 Working principle of hydraulic actuator

開鎖過程：當(dāng)壓力為14.8 MPa的液壓油進(jìn)入液壓油路后，液壓油首先推動柱塞向右移動，待活塞2運(yùn)動到與套筒接觸后，鋼球從圖中的位置向活塞桿中心方向移動，將活塞桿從當(dāng)前位置解鎖；隨著液壓油不斷供入油路，活塞1連同活塞桿一起向左運(yùn)動，直到活塞桿到達(dá)極限位置后，停止壓力油的供入，此時(shí)柱塞連同活塞2在彈簧力的作用下回到初始位置。

上鎖過程：在開鎖過程結(jié)束后，將壓力為14.8 MPa的液壓油供入作動筒的無桿腔，活塞1連同活塞桿在壓力油的作用下向右移動；當(dāng)鋼球運(yùn)動到與柱塞接觸后，鋼球在無桿腔活塞力的作用下沿柱塞外輪廓的斜面運(yùn)動到圖中所示位置，鋼球在套圈和柱塞的限位下保證活塞1和活塞桿的位置不變，即上鎖狀態(tài)。

該類螺旋彈簧在大型液壓作動筒中用于使伸出的活塞桿保持鎖緊狀態(tài)，有較多應(yīng)用，而液壓作動筒的異響現(xiàn)象也時(shí)有出現(xiàn)。在生產(chǎn)中出現(xiàn)該情況時(shí)，經(jīng)常的操作是對彈簧進(jìn)行多次反復(fù)互換試驗(yàn)，直到異響現(xiàn)象消除為止。由于該產(chǎn)品對液壓油的要求較為嚴(yán)格，每次試驗(yàn)后的液壓油均作報(bào)廢處理，液壓油不進(jìn)行二次使用，造成了很大的浪費(fèi)；此外，液壓作動筒筒體和端部是通過大型螺紋進(jìn)行旋合安裝的，這樣的反復(fù)試驗(yàn)對螺紋的磨損和密封性也是有影響的；同時(shí)此類大型作動筒的安裝需要至少2個(gè)人配合完成，如此反復(fù)拆裝將造成人力的浪費(fèi)，因此需要對彈簧進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.2 彈簧受力分析

圖2a所示為實(shí)際螺旋彈簧[11]受壓縮后外力合力在彈簧端面的均布力分布情況，理想情況下認(rèn)為在彈簧端面的任意單位面上的壓強(qiáng)是相同的。圖2b為均布力的合力F′，此時(shí)由于力的作用面沒有完全均布于彈簧端面的圓環(huán)內(nèi)，因此合力偏離彈簧端面圓環(huán)的中心處。在此外力F′的作用下，彈簧軸向彈簧絲的受力如圖3所示，由于合力F′不作用在彈簧的中心，所以在彈簧的軸向截面兩側(cè)相對位置處的彈簧絲截面受到的合力大小相等，但力偶矩大小不同。在彈簧絲橢圓截面一側(cè)的合力為F′，力偶矩為F*a，在彈簧絲橢圓截面另一側(cè)的合力為F′，力偶矩F*b，其中a+b=2R(R為彈簧的半徑)。

圖3 壓縮螺旋彈簧彈簧絲的受力Fig.3 Stress of compression coil spring wire

T′=F′·a·cosα

(1)

M′=F′·a·sinα

(2)

(3)

(4)

T′′=F′·b·cosα

(5)

M′′=F′·b·sinα

(6)

式中，α—— 彈簧螺旋角

由于實(shí)際彈簧的安裝環(huán)境要求，為使彈簧兩端便于放置，需要對彈簧的端面進(jìn)行打磨處理，通過以上分析計(jì)算可知，彈簧端面受到外力時(shí)的合力偏離彈簧的中心位置的情況，這將可能出現(xiàn)彈簧端面在受到外力壓縮后出現(xiàn)一定程度的偏斜情況，導(dǎo)致彈簧與安裝環(huán)境的內(nèi)壁可能發(fā)生摩擦或碰撞。該類螺旋彈簧在大型液壓作動筒中有較多應(yīng)用，當(dāng)彈簧由壓縮狀態(tài)突然釋放時(shí)，將發(fā)出響聲，為減緩或消除彈簧出現(xiàn)的這種情況，需要對彈簧的端面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 彈簧改進(jìn)設(shè)計(jì)及受力變化分析

3.1 彈簧的改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過對彈簧的受力分析，為提高彈簧在運(yùn)動過程中的平穩(wěn)性，提出在受壓縮(拉伸)彈簧的端面彈簧絲起始處增加倒斜面，如圖4所示，這樣的改進(jìn)設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)在彈簧受到外力時(shí)，將彈簧絲起始部位所接觸的支撐圈沿彈簧絲走向向后支撐，在一定程度上增加了該處軸向方向的彈簧絲長度，也減小了軸向方向的彈簧剛度，理論上會使得彈簧各方向的剛度分布更加均勻，彈簧在運(yùn)動中更加協(xié)調(diào)平穩(wěn)。

圖4 增加倒斜面的彈簧Fig.4 Spring with inverted slope

3.2 改進(jìn)后彈簧受力變化

彈簧在外力F的作用下，分別分析彈簧改進(jìn)前后彈簧端面的所受的合力的位置的變化，如圖5所示，圖5a為改進(jìn)前的彈簧端面在外力作用下的合力的作用位置坐標(biāo)A(8.340，6.847)；圖5b為改進(jìn)后的彈簧端面在外力作用下的合力的作用位置坐標(biāo)B(8.545，9.439)。

圖5 彈簧端面合力位置的變化Fig.5 Change of concentrated force position of spring end face

改進(jìn)后在y軸與彈簧軸線組成的平面內(nèi)，兩側(cè)的彈簧絲受到的力矩在原來的基礎(chǔ)上也發(fā)生了變化：在彈簧絲起始端對應(yīng)的一側(cè)彈簧絲中心線距離合力的距離變大，而在另一側(cè)的彈簧絲中心線距離合力的距離變小。根據(jù)對彈簧y軸截面的分析，改進(jìn)前，起始端對應(yīng)的彈簧一側(cè)的剛度較另一側(cè)的剛度大；改進(jìn)后，因?yàn)楹狭ξ恢玫淖兓?，使得彈簧剛度大的一?cè)受到的力矩比改進(jìn)前受到的力矩大，同時(shí)，彈簧剛度小的一側(cè)受到的力矩比改進(jìn)前受到的力矩小。最終，將使彈簧剛度大的一側(cè)變形增大，剛度小的一側(cè)變形減小，可達(dá)到彈簧整體變形相互協(xié)調(diào)的結(jié)果，不會出現(xiàn)彈簧軸線一側(cè)整體變形很大，另一側(cè)整體變形很小的情況。

4 仿真驗(yàn)證

運(yùn)用仿真軟件ANSYS Workbench對彈簧進(jìn)行靜力學(xué)分析[12]，分析壓縮彈簧在改進(jìn)設(shè)計(jì)前和改進(jìn)設(shè)計(jì)后，受到外力時(shí)彈簧中間部位徑向位移的變化情況。

在彈簧的一端添加加載作用面，并輸入工作環(huán)境力值，方向沿彈簧軸線指向彈簧端面，在彈簧的另一端添加支撐面，支撐方式為固定支撐。改進(jìn)設(shè)計(jì)前、后彈簧的加載位置、力值大小和支撐方式均相同，如圖6所示。

圖6 兩種彈簧的加載和支撐方式Fig.6 Loading and supporting modes of two springs

在此條件下，運(yùn)行仿真，觀察彈簧在徑向方向位移的變化值以及徑向位移變化大的位置。彈簧徑向位移變化云圖如圖7所示，表1為形變結(jié)果。

表1 仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results

圖7 原彈簧與改進(jìn)后彈簧的形變云圖Fig.7 Deformation nephogram of original spring and improved spring

從圖7和表1可以看出，彈簧徑向方向位移變化較大的地方均靠近彈簧中間部位。原彈簧的徑向平均位移為0.63 mm，改進(jìn)后彈簧的徑向平均位移為0.24 mm。仿真結(jié)果表明，對彈簧斷面起始位置處增加倒斜面改進(jìn)設(shè)計(jì)后，彈簧的中間部位徑向方向平均位移變小，此結(jié)果與理論分析相一致，說明對彈簧端面起始位置增加倒斜面改善了彈簧在運(yùn)動過程中的徑向方向位移量。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)對液壓作動筒異響現(xiàn)象的解決效果，分別對4件彈簧進(jìn)行加工，加工效果如圖8所示。

圖8 原彈簧與改進(jìn)后彈簧Fig.8 Original spring and improved spring

對4件彈簧進(jìn)行試驗(yàn)，分別標(biāo)記為A，B，C，D。此4件彈簧在未受到壓縮時(shí)，通過測量彈簧的垂直度，其徑向方向本身存在一定的偏斜，但滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，將4件彈簧裝入液壓作動筒后進(jìn)行試驗(yàn)均存在異響現(xiàn)象。對4件彈簧按照改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行加工，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對比彈簧在改進(jìn)彈簧端面設(shè)計(jì)后對試驗(yàn)結(jié)果的影響，如表2所示。表2中“初始測量偏斜距離”是為便于測量而以某一工裝為基礎(chǔ)的測量值，非彈簧的垂直度要求值，測量值均滿足設(shè)計(jì)要求中對彈簧的垂直度要求。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results

由表2可知，在彈簧端面起始部位增加倒斜面，對異響問題的解決效果十分明顯。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也表明，對彈簧增加倒斜面可以改善彈簧整體的受力分布情況，使得彈簧絲的受力分布更加均勻，彈簧受壓后不至出現(xiàn)較大的偏斜情況。

6 結(jié)論

本研究首先對螺旋彈簧在大型液壓作動筒內(nèi)部的工作情況進(jìn)行說明，并分析了螺旋彈簧在外力作用下彈簧端面作用力的分布情況以及彈簧軸線所在截面處兩處彈簧絲的力值和力矩的不同，在此基礎(chǔ)上提出對螺旋彈簧進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法，分別對改進(jìn)設(shè)計(jì)前、后的彈簧受力進(jìn)行理論分析、仿真驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果中彈簧在改進(jìn)前后徑向平均位移從0.63 mm減少到0.24 mm；試驗(yàn)驗(yàn)證中改進(jìn)后的彈簧均未出現(xiàn)異響現(xiàn)象，作動筒異響問題得到解決。改進(jìn)方法有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，不僅解決了此類液壓作動筒異響問題，而且提高了產(chǎn)品的合格率，節(jié)約了人力、物力和財(cái)力。