液壓缸端蓋與外筒卡圈連接結構探索

陳育良，魯德發，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，為了結構布局需要，通常把液壓缸端蓋與外筒設計為可拆卸的兩個零件，采用螺紋密封結構連接，這種連接結構零件的加工和安裝會直接影響液壓缸性能，是領域內關注研究的焦點之一[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構，該結構可替代螺紋連接，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構的各零件受力，探索新結構應用于液壓缸外筒與端蓋之間連接的優劣。

1 液壓缸端蓋與外筒連接結構

目前，液壓缸端蓋與外筒間連接主要采用螺紋連接結構，典型結構見圖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，導致結構抗疲勞效果不佳，且大載荷工況下容易產生螺紋咬死，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

本文設計的卡圈連接結構主要由外筒、端蓋、卡圈、調節墊片、止動卡套和止動螺釘組成，具體結構如圖2所示。

圖2 液壓缸端蓋與外筒間卡圈連接示意圖

外筒凸臺柱面與調節墊片外緣弧面均同端蓋內壁配合安裝，外筒外壁與端蓋內壁之間形成間隙，卡圈通過間隙嵌入端蓋開口卡圈槽內，調節墊片與外筒凸臺依次卡在端蓋底面和卡圈之間，卡圈內壁與外筒外壁形成間隙。通過端蓋內壁與外筒外壁、卡圈內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壁配合，內壁與外筒外壁貼合，臺階軸向環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壁貼合，把卡圈限制在端蓋卡槽內。止動卡套小直徑局部端頭沿軸向設有的卡鍵與外筒凸臺內端面局部沿軸線開設的卡槽交互配合連接，限制外筒與端蓋相對轉動。通過設置端蓋止動螺釘完成止動卡套的固定。

其中各零件具體設計要求如下：

（1）調節墊片內徑等于或略小于外筒內徑，外徑等于端蓋內徑，厚度根據安裝需要可調節，其材料可選用紫銅一類金屬，增強結構的密封性能。

（2）端蓋開口端設有卡槽，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節墊片卡在卡圈和端蓋底面之間，端蓋開口端止動螺釘孔設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壁間隙應滿足卡圈和止動卡套的安裝需求。

（4）卡圈內徑大于或等于外筒外徑，裝入端蓋卡槽后小于端蓋內壁直徑，保證卡住外筒凸臺和調節墊片。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，卡圈軸向投影環形面能被端蓋內壁與外筒外壁間的環形間隙軸向投影覆蓋。卡圈均勻分成3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壁之間的軸向投影環形面，止動卡套外壁徑向投影設計成階梯狀。止動卡套大直徑部分外壁柱面與液壓缸端蓋內壁貼合，小直徑部分外壁柱面與卡圈內壁貼合，內壁與外筒外壁貼合。止動卡套小直徑局部端頭沿軸向的卡鍵與外筒凸臺內端面局部沿軸線開設卡槽交互配合連接。止動卡套臺階軸向環形面與卡圈徑向面軸向端面貼合。

卡圈連接結構傳力原理：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（或內部液壓壓力）時，端蓋卡槽帶動卡圈，卡圈壓外筒凸臺內端面。

止動限位原理：

止動卡套一端設置的卡槽和卡鍵與外筒凸臺內端面設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，實現端蓋和外筒的扭轉止動；止動卡套通過卡圈內壁和外筒外壁之間的間隙內插，將卡圈擠在端蓋上的卡槽內，卡圈徑向面軸向端面之一受止動卡套臺階軸向環形面限位，卡圈徑向面另一軸向端面受到外筒凸臺內端面限位，實現了卡圈的限位止動；外筒凸臺與調節墊片軸向受卡圈和端蓋底面限位，徑向受端蓋內壁限位，止動卡套通過卡槽限制外筒凸臺扭轉，實現外筒與調節墊片的止動。

2 與螺紋連接對比分析

建立液壓缸筒卡圈連接結構模型和螺紋連接結構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。卡圈幾何參數見圖3，螺紋型號為M48×1.5，各零件材料參數見表1。

圖3 卡圈幾何參數示意圖

表1 兩種結構各零件材料參數表

螺紋連接有限元計算結果見圖4～圖7，卡圈連接有限元計算結果見圖8～圖11。

圖4 螺紋連接結構（總體）過軸線剖面應力分布

圖5 螺紋連接結構（總體）垂直軸線周向應力分布

圖6 螺紋連接結構（端蓋）垂直軸線周向應力分布

圖7 螺紋連接結構（外筒）垂直軸線周向應力分布

圖8 卡簧連接結構（總體）過軸線剖面應力分布

圖9 卡圈連接結構（總體）垂直軸線周向應力分布

圖10 卡圈連接結構（端蓋）垂直軸線周向應力分布

圖11 卡圈應力分布

圖12 卡圈連接結構（外筒）垂直軸線周向應力分布

由有限元計算結果的應力云圖對比可知：

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

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

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力不對稱；其次，螺紋咬合圈數多，而且螺距大小可選，可降低連接部分總體應力。導致螺紋前三扣垂直軸線周向面上的應力，普遍小于卡圈位置垂直軸線周向面上應力。同時應力分布，是理論假設條件下的計算結果。根據現有經驗，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，卡圈連接結構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 結束語

螺紋連接長期以來被廣泛應用于眾多領域的結構連接，并被深入研究。本文嘗試設計一種卡圈連接結構替代常用的螺紋連接結構，應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構已申請專利，專利號：ZL201820938928.8。可以預見，卡圈連接結構將會得到更廣泛應用，液壓缸端蓋與外筒之間也會有更多的連接形式被設計出來。