液压缸端盖与外筒卡圈连接结构探索

陈育良，鲁德发，张成亮，袁 珽

（中航飞机起落架有限责任公司，湖南 长沙410200）

0 引言

液压缸是飞机常用液压附件之一，为了结构布局需要，通常把液压缸端盖与外筒设计为可拆卸的两个零件，采用螺纹密封结构连接，这种连接结构零件的加工和安装会直接影响液压缸性能，是领域内关注研究的焦点之一[1-4]。

一般研究认为，液压缸密封性能容易受螺纹连接影响[1，5]，并且长期使用过程中，螺纹连接存在容易咬死[6]、易松动[7，8]、螺纹易应力集中[9]等缺陷。

为此本文提供一种液压缸端盖与外筒卡圈连接结构，该结构可替代螺纹连接，用于液压缸外筒与端盖之间连接。通过有限元分析对比两种结构的各零件受力，探索新结构应用于液压缸外筒与端盖之间连接的优劣。

1 液压缸端盖与外筒连接结构

目前，液压缸端盖与外筒间连接主要采用螺纹连接结构，典型结构见图1，主要由端盖、垫片、密封件、外筒组成。该连接形式存在以下两方面缺陷：一方面，装配时液压缸外筒与端盖相对扭动，增加密封件受损的风险；另一方面，加工过程中螺纹存在缺陷，导致结构抗疲劳效果不佳，且大载荷工况下容易产生螺纹咬死，导致液压缸外筒及其端盖损坏。

图1 液压缸端盖与外筒间螺纹连接意图

本文设计的卡圈连接结构主要由外筒、端盖、卡圈、调节垫片、止动卡套和止动螺钉组成，具体结构如图2所示。

图2 液压缸端盖与外筒间卡圈连接示意图

外筒凸台柱面与调节垫片外缘弧面均同端盖内壁配合安装，外筒外壁与端盖内壁之间形成间隙，卡圈通过间隙嵌入端盖开口卡圈槽内，调节垫片与外筒凸台依次卡在端盖底面和卡圈之间，卡圈内壁与外筒外壁形成间隙。通过端盖内壁与外筒外壁、卡圈内壁与外筒外壁的间隙安装止动卡套，止动卡套为台阶形式，大直径外壁柱面与端盖内壁配合，内壁与外筒外壁贴合，台阶轴向环形面与卡圈径向面轴向端面配合面贴合，小直径外壁柱面与卡圈内壁贴合，把卡圈限制在端盖卡槽内。止动卡套小直径局部端头沿轴向设有的卡键与外筒凸台内端面局部沿轴线开设的卡槽交互配合连接，限制外筒与端盖相对转动。通过设置端盖止动螺钉完成止动卡套的固定。

其中各零件具体设计要求如下：

（1）调节垫片内径等于或略小于外筒内径，外径等于端盖内径，厚度根据安装需要可调节，其材料可选用紫铜一类金属，增强结构的密封性能。

（2）端盖开口端设有卡槽，卡槽为半圆弧面与卡圈外缘弧面配合，其位置能保证外筒凸台和调节垫片卡在卡圈和端盖底面之间，端盖开口端止动螺钉孔设计在装配好的止动卡套大直径部分外壁柱面中间。

（3）外筒凸台内端卡槽与止动卡套端头卡槽交互配合连接，安装后外筒外壁与端盖内壁间隙应满足卡圈和止动卡套的安装需求。

（4）卡圈内径大于或等于外筒外径，装入端盖卡槽后小于端盖内壁直径，保证卡住外筒凸台和调节垫片。其外缘弧面与端盖卡槽配合，卡圈的厚度等于端盖卡槽径向投影高度，卡圈轴向投影环形面能被端盖内壁与外筒外壁间的环形间隙轴向投影覆盖。卡圈均匀分成3段，相邻两段间留有微小间隙，以满足安装需要。

（5）止动卡套为对称的两片，其轴向投影等于液压缸外筒外壁与其端盖内壁之间的轴向投影环形面，止动卡套外壁径向投影设计成阶梯状。止动卡套大直径部分外壁柱面与液压缸端盖内壁贴合，小直径部分外壁柱面与卡圈内壁贴合，内壁与外筒外壁贴合。止动卡套小直径局部端头沿轴向的卡键与外筒凸台内端面局部沿轴线开设卡槽交互配合连接。止动卡套台阶轴向环形面与卡圈径向面轴向端面贴合。

卡圈连接结构传力原理：液压缸外筒受轴向压载荷时，端盖压垫片，垫片压外筒外端面。液压缸轴向拉载荷（或内部液压压力）时，端盖卡槽带动卡圈，卡圈压外筒凸台内端面。

止动限位原理：

止动卡套一端设置的卡槽和卡键与外筒凸台内端面设计的凹槽和立筋交互咬合配合，另一端由止动螺钉固定在端盖上，实现端盖和外筒的扭转止动；止动卡套通过卡圈内壁和外筒外壁之间的间隙内插，将卡圈挤在端盖上的卡槽内，卡圈径向面轴向端面之一受止动卡套台阶轴向环形面限位，卡圈径向面另一轴向端面受到外筒凸台内端面限位，实现了卡圈的限位止动；外筒凸台与调节垫片轴向受卡圈和端盖底面限位，径向受端盖内壁限位，止动卡套通过卡槽限制外筒凸台扭转，实现外筒与调节垫片的止动。

2 与螺纹连接对比分析

建立液压缸筒卡圈连接结构模型和螺纹连接结构模型分别进行有限元分析。其中卡圈和端盖配合槽深度与螺纹齿高相当、端盖和外筒的其他参数相同，加载条件均为固定约束外筒底面，耳片承受F=30 000 N轴向拉压载荷。卡圈几何参数见图3，螺纹型号为M48×1.5，各零件材料参数见表1。

图3 卡圈几何参数示意图

表1 两种结构各零件材料参数表

螺纹连接有限元计算结果见图4～图7，卡圈连接有限元计算结果见图8～图11。

图4 螺纹连接结构（总体）过轴线剖面应力分布

图5 螺纹连接结构（总体）垂直轴线周向应力分布

图6 螺纹连接结构（端盖）垂直轴线周向应力分布

图7 螺纹连接结构（外筒）垂直轴线周向应力分布

图8 卡簧连接结构（总体）过轴线剖面应力分布

图9 卡圈连接结构（总体）垂直轴线周向应力分布

图10 卡圈连接结构（端盖）垂直轴线周向应力分布

图11 卡圈应力分布

图12 卡圈连接结构（外筒）垂直轴线周向应力分布

由有限元计算结果的应力云图对比可知：

（1）卡圈连接结构，卡圈位置垂直轴线周向应力分布对称性较好；螺纹连接结构载荷集中在前三扣，垂直轴线周向应力分布对称性差。

（2）螺纹前三扣垂直轴线周向面上的应力，普遍小于卡圈位置垂直轴线周向面上应力。

这主要是因为螺纹几何图形本身不对称，导致参与螺纹主要承力的前几扣，垂直轴线周向面上的应力不对称；其次，螺纹咬合圈数多，而且螺距大小可选，可降低连接部分总体应力。导致螺纹前三扣垂直轴线周向面上的应力，普遍小于卡圈位置垂直轴线周向面上应力。同时应力分布，是理论假设条件下的计算结果。根据现有经验，一方面螺纹加工过程中，会存在不同程度的缺陷，即抗疲劳性能不佳；另一方面端盖与外筒连接采用螺纹连接方式，安装过程易损伤密封件。

综上，卡圈连接结构在一定条件下具备替代螺纹连接，用于液压缸端盖与外筒连接的能力。并在一定程度上具备提高液压缸耐久性、承载性能、密封性能的能力，为液压缸外筒与端盖之间连接形式提供了多样性的选择。

3 结束语

螺纹连接长期以来被广泛应用于众多领域的结构连接，并被深入研究。本文尝试设计一种卡圈连接结构替代常用的螺纹连接结构，应用于液压缸端盖与外筒之间，为液压缸端盖与外筒之间连接提供了多样性选择。本用于端盖与外筒连接的卡圈连接结构已申请专利，专利号：ZL201820938928.8。可以预见，卡圈连接结构将会得到更广泛应用，液压缸端盖与外筒之间也会有更多的连接形式被设计出来。