氮气弹簧缸筒应力分析及壁厚设计

　　0 引 言

　　常规弹性元件占有空间太大,增加了制造成本。而且常规弹簧的起始力不大,均需要预紧才能达到设计要求的弹压力,并且它们的弹压力又是随行程加大而明显增大,不具备弹压力恒定的性能,在加速器治疗床升降运动应用中不理想。氮气弹簧则是一种具有恒力弹性功能的新型元件。它将高压氮气密封在确定的容器内,外力通过柱塞杆将氮气压缩,当外力撤除时,靠高压氮气膨胀来获得一定的弹压力,这种元件称为氮气弹簧,也可称为氮气缸或氮气缸弹压装置。治疗床升降运动时,采用氮气弹簧支撑、吸振,增加了治疗床升降运动的平衡性;同时抵消治疗床的部分升降负载。另外,采用了氮气弹簧支撑,当升降驱动机械装置发生故障时,能防止治疗床突然下落,避免人员损伤及设备的损坏,增加了治疗床的工作安全系数。氮气弹簧的弹压力从几十牛至几万牛。

　　1 缸筒的设计及强度校核

　　氮气弹簧是内充高压氮气的压力容器。为了保证氮气弹簧安全工作,氮气弹簧缸壁的厚度是根据厚壁筒承压原理进行设计的,即为了防止内压筒件发生失效甚至破坏,在强度计算时必须考虑避免过大的弹性或塑性变形。在此基础上,又有3种主要不同的设计准则:(1)弹性失效准则;(2)塑性失效准则;(3)爆破失效准则。

　　根据上述几种设计准则,氮气弹簧设计时,缸筒外径与内径之比应大于111~1.2,当缸筒受内压后(这里采用弹性失效准则进行设计),氮气弹簧缸壁的应力沿壁厚方向不是均匀分布,但是由于厚壁筒在结构上是轴对称的,所承受气体的压力也是轴对称的,这就使问题变得简单多了。当缸体承受内压时,缸体中将产生3个应力分量,即:

　　σ_θ—环向应力,沿壁厚方向非均匀分布;

　　σ_r—径向应力,沿壁厚方向非均匀分布;

　　σ_m—轴向应力,沿壁厚方向均匀分布;

　　根据3个应力分量的特点,以下从几何、静力和物理三方面对氮气弹簧缸壁的应力和变形进行分析计算。

　　2 变形几何关系

　　一厚壁圆筒如图1所示,受内压力p。以半径r和r+dr的两个相邻圆柱面与夹角为dθ的两个相邻径向面,从圆筒中取出单元体abcd,并设单元体沿轴线方向的尺寸(即垂直于图面的尺寸)为一单位。将单元体放大成图2所示。由于变形对圆筒轴线对称,筒内各点沿半径方向的位移u只与半径r有关,与θ角无关。变形后单元体ad边位移到a‘d’,由此求得周向应变为:

　　因为位移u是r的函数,在ab边上,若a点的径向位移为u,则b点的径向位移应为u+du。因而a点沿径向的应变是: