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高壓水射流切割技術是特種加工工藝家族的新成員。高壓水射流切割是利用具有很高動能的高速射流進行加工，既能切割各種非金屬材料，又能切割各種硬、脆、塑性材料，如欽鎳合金、陶瓷、玻璃、復合材料等，同時具有質(zhì)量高、經(jīng)濟性好、效率高、污染小等優(yōu)點。
高壓水射流切割的諸多優(yōu)點賦予了其廣闊的應用前景。近年來國內(nèi)外許多研究成果表明:一個能根據(jù)實際要求需要自如地控制各種類型高壓水射流技術特征、造福人類的新時代已經(jīng)到來。
然而，國內(nèi)的高壓水射流切割加工剛起步，諸多關鍵技術如高壓缸的性能、動態(tài)和靜態(tài)密封、磨料和水的快速混合等都未能徹底解決，阻礙了其推廣應用。
高壓缸是水切割機的核心部分，其性能好壞是水切割機的成敗關鍵。由于其承受較高壓力(大約為200MPa-400MPa，還伴有交變載荷或沖擊載荷，如果活塞的運動頻率按每分鐘四十次記，則其疲勞壽命必須在數(shù)百萬次以上。故高壓缸除了需具有足夠的強度之外還要求具有極高的疲勞壽命。如果只改變缸體的材料，如選用高強度合金鋼，很難達到這些指標。本文針對高壓缸在使用過程中經(jīng)常爆裂的問題，應用預應力理論對其進行設計，并通過實驗獲得了其疲勞壽命。

1 高壓缸的工作原理及其失效形式

現(xiàn)以某公司KSX1520H型水切割機增壓器(圖)為例，說明高壓缸的工作原理。

低壓液壓油在油泵作用下進入油缸，推動液壓活塞自左死點向右死點運動，與此同時，與之相連接的柱塞使高壓缸內(nèi)的水增壓。水經(jīng)過進水單向
閥進入高壓缸，在活塞作用下經(jīng)出水單向閥排出。在兩個反向柱塞的作用下，當一個處于吸入行程時，另一個處于排出行程，周期性往復運動形成連續(xù)波動的水射流。
在實際工作過程中其主要失效形式為缸體端部出現(xiàn)疲勞裂紋，導致高壓水泄露，水壓迅速降低，無法完成預定的切割目的。
在設計高壓缸時，我們采用彈性失效準則，即認為當缸體內(nèi)壁上應力最大點達到材料的屈服極限，缸體就失效.我們在設計預應力缸體時采用Tresca強度條件進行數(shù)學推導。

2 預應力復合缸體的基本特點
單層缸的內(nèi)壁是其強度最薄弱之處，起關鍵作用的是該處的周向應力6,，而徑向應力6,恒等于內(nèi)壓尸;之負值，這是無法改變的。預應力復合缸體的基本思想就是在缸體內(nèi)壁預先建立一種周向壓應力，和拉伸的工作周向應力疊加，從而大大減小甚至于完全消除周向拉應力。這樣就帶來一系列靜強度和疲勞強度上的優(yōu)點。
和非預應力結構相比，預應力復合缸體有兩種獨立的力學狀態(tài)，所謂等強設計不僅應考慮缸體各點的等強，更重要的是使缸體在兩種力學狀態(tài)下結構的強度應相同，否則缸體必然受到兩種狀態(tài)強度較低的一種的限制。對另一種強度較高的狀態(tài)來說，材料的強度潛力并未得到充分的發(fā)揮和利用。計算表明，只要對缸體預緊到某一特定程度，即當預緊系數(shù)相等時才能達到兩種狀態(tài)等強，稱為最大承載能力預緊系數(shù)，為方便起見，在后面的推導過程中，η、 η_p均以絕對值代入。由此可知，預應力缸的最大承載能力為σ1而單層缸的極限承載能力σ1/2，假定單層缸與預應力缸的σb及n相同，則預應力缸的承載能力比單層缸提高2倍。上述推導采用了預緊系數(shù)的概念，并未涉及到具體的預應力結構，故它對任何一種建立在彈性失效基礎上的預應力缸體是普遍適用的。

2.2疲勞強度高
壓縮平均應力使疲勞極限應力幅增大，疲勞強度和壽命增加。高壓缸在實際使用過程中，缸體的破壞主要是以內(nèi)壁裂紋形式出現(xiàn)。而預應力復合缸體的應力變化在負范圍內(nèi)，有效地抑制了裂紋的增長，從而增加了其疲勞壽命。

3 預應力缸體的設計
由于高壓缸體的內(nèi)壁一般是應力最危險的區(qū)域，而徑向應力又總是與內(nèi)壓數(shù)值相當方向相反，因此改進的方向是減少或消除該處的周向拉應力。
在缸體設計過程中，考慮到加工工藝及其制造成本，故將高壓缸設計成兩層套裝結構。即將兩層缸體以一定的過盈配合裝配起來，從而在第一層缸體內(nèi)壁建立周向預壓應力，用以抵消在工作載荷作用下內(nèi)壁產(chǎn)生的周向拉應力。
4 缸體疲勞實驗
預應力缸體研究的最終目的，就是確定提高缸體的疲勞壽命。疲勞壽命是設計人員和工程技術人員十分關注的課題。無論是缸體的內(nèi)層還是缸體的外層，當結構此寸給定后，在預緊狀態(tài)和合成狀態(tài)，其各點的應力應用公式可以求解。當材料的

持久極限給定后可以粗略地預測出其疲勞壽命。
然而，要精確計算在復雜疲勞載荷作用下的疲勞壽命估算又是一個十分困難的問題。因必須有精確的載荷譜，材料特性或S-N曲線等，同時還要
把一些影響疲勞壽命的主要因素考慮進去，要做到這點，目前還十分困難。
為了得到高壓缸實際的使用壽命，作者自2002年8月以來以某廠的KSD1520H水切割機為平臺，進行了疲勞實驗。該機每天至少連續(xù)工作15h,缸體壽命現(xiàn)以累計達到2500h。目前尚未出現(xiàn)高壓缸漏水現(xiàn)象，工作狀況良好。但由于高壓缸疲勞破壞的復雜性，其疲勞壽命尚需進一步確定。

5結論
上述理論分析及疲勞實驗表明，采用預應力理論設計水切割機高壓缸是完全可行的，它能滿足工程實際要求，大大地提高了缸體的承載能力及疲勞壽命，從而進一步提高了切割機的性能。隨著預應力技術的進一步推廣，預應力復合缸體將應用在更廣泛的領域內(nèi)。

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