液压冲击器活塞的非线性有限元分析

　　0　前　言

　　目前,德国、芬兰、美国、意大利、加拿大、日本和韩国等国液压冲击器进入中国市场,其中数量以韩国为最,占国内液压冲击器市场的95%.国产液压冲击器的品种、质量与国外相比有较大差距,市场占有率很低,其主要原因是生产的中缸体和活塞达不到要求.活塞是液压冲击器冲击系统中直接做功的非常关键的部件,它的使用性能对冲击系统的整体性能起着至关重要的作用,冲击系统设计时首要考虑它,其在实际使用过程中常常因为各种情况而导致失效,故研究如何增强其强度,提高寿命显得极其必要.

　　1　活塞的失效形式分析

　　冲击系统中冲击活塞的失效机理复杂,失效形式多样.由于材料科学、热处理工艺、设计方法等方面的进步,冲击部件由于受力超过材料的强度极限而断裂和由于接触应力超过局部材料的冲击屈服强度造成的端面墩粗等早期常见的失效形式,现在极为罕见.目前,冲击部件的主要失效形式是撞击面的疲劳损坏、杆身的疲劳断裂及工作表面划伤.

　　1.1　撞击面疲劳破坏

　　由于活塞对钎尾的频繁冲击,其端面也频繁地承受由冲击引起的接触压缩应力,端面表层金属产生微量塑性变形;在长期冲击情况下,由于金属的变形硬化和塑性耗竭,从活塞中心部分开始逐步出现了疲劳裂纹,最终引起小块剥落,造成端面中心逐渐下凹的正常性磨损与损坏;当活塞表面硬度或心部硬度过低,表层有贫碳层或加工不良,材料有缺陷时,会引起端面迅速下凹,使活塞早期报废.如果端面在冲击接触时仅仅出现很浅的只有几十微米深的小薄层剥落,则不会影响使用效果,比较严重的是端面出现大块深层剥落,这种大块深层剥落是由于表面产生了与端面相垂直的裂纹.端面深层脱落,将使撞击接触状况恶化,最终造成冲击部件失效.通常规定当部件端面下凹一定深度时,冲击部件失效,如冲击器的活塞的撞击端面下凹2 mm时即报废.

　　1.2　杆身疲劳断裂

　　杆身疲劳断裂是目前杆形冲击部件最主要的失效形式之一.冲击部件在变幅非对称循环应力和附加弯曲应力的复合作用下,虽然工作应力的最大值仍小于其材料的强度极限,但由于杆身结构上的外形不连续处(缺口、槽、孔等)、表面加工缺陷以及内部夹杂物的存在,在局部区域形成的应力集中,在此局部微小区域就萌发了微小裂纹,随着循环次数的增加,裂纹逐渐扩展,最后发展到瞬时突然断裂.虽然各类冲击器受力状态存在差异,但杆的疲劳破坏的断口形貌是基本相同的,可以明显的分为疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区.在疲劳区表面,高周疲劳是平面应变断裂,断口呈现细晶粒,较平滑.由于疲劳裂纹中有空气及其它腐蚀性介质进入,可能发生氧化腐蚀,一般颜色较深.在该区上,常有如海滩状的疲劳条纹,并且与裂纹宏观扩展方向垂直,它表示裂纹前沿在间歇扩展中的逐次位置.与此同时,在裂纹扩展过程中,由于两表面的挤压和摩擦作用,断口的疲劳区的突出部分被磨光或呈贝壳状的光泽表面.瞬断区为促晶粒,其表面比较粗糙.