单腔体水压水刺头的计算

王红波 王晓伟

（恒天重工股份有限公司，河南 郑州450053）

在水刺工艺中，水刺头是提供高水针质量的关键部件。而水刺头在高压下的变形和强度大小是制造均匀、稳定、高速水针的重要前提条件。在水刺装备中，水刺头是一个封闭的组件，其加工精度高，技术成本昂贵，本文针对本公司现有TW 22D系列水刺头结构，对水刺头做简化分析计算，为降低水刺头成本提供参考依据［1］。

1 已知条件的设定

已知水刺头腔体材料为1Cr17Ni2，调质处理后HB=260～300，σb=900～1 020N/mm2，σS≈600～700N/mm2，E=206×109Pa。将水刺头的水压设定为30MPa，腔体所受侧向力为F。水刺头腔体结构如图1所示，截面如2所示。

图1 水刺头腔体结构

图2 水刺头腔体截面

2 腔体挠度变形计算

由于结构对称（图3），取虚线框部分进行分析，建力学模型：

图3 水刺头腔体部分结构

2.1两个对边简支，两个对边固定整个板面受均布载荷。如下图4。a=3.65m，b=0.0885m，h=0.053m，q=30Mpa。

图4 两个对边简支图

最大挠度在自由边的中点A处，f=

因a/b=41.2取c=0.1422

最大弯曲应力发生在长边中心的A点及B点处，A点处c1=0.75 mm2=62.7N/m2

图5

B点处：c2=0.225

2.2 看作悬臂梁

3 腔体侧面的受压变形及应力

腔体侧面的受压变形及应力，如图6所示：

图6 腔体侧面受压变形及应力

3.1 腔体处受力计算

腔体连接处面积S1=58.5×3650=213 525mm2；

φ53通腔侧向受力面积S2=53×3 650=193 450mm2；

长圆孔侧向受力总面积S3=35.5×3 510=124 605 mm2；

腔体处受力：

3.2 腔体顶部连接处强度校核

F/S1=9 541 650/213 525=44.68＜＜σS

4 螺钉强度校核

螺钉数量180个，规格为GB70M20×40 Tc7 10.9级，其σ0.2=940N/mm2

图7

则［σ］=σ0.2=/1.5=626N/mm2，［τ］=0.8×［σ］=501N/mm2。

4.1 剪切校核

单侧面总受力为F1=30×106×（53×3 650+35.5×3 510）×10-6=9 541 650N

设有一半作用在螺钉上（另一半作用在腔体上方连接处），则：单个螺钉受剪力F=0.5F/90=53 009.2N；单个螺钉受剪应力τ=F/As=53 009.2/245=216N/mm2＜［τ］=501

4.2 拉伸校核

所受总拉力F2=33×3650×10-6×30×106=3 613 500N

单个螺钉受拉力F=3 613 500/180=20 075N

单个螺钉受拉应力σ=F/AS=2 0075/245=81.9＜626

5 结语

通过以上计算可以得知：在理论上，不论是水刺头所用材料还是螺钉所用规格，均可降低。公司现已依据本计算将规格为GB70 M20×40 Tc7 10.9级的螺钉规格降低为GB70 M20×40 A2-70不锈钢螺钉，每年仅此一项为公司节省200余万元。

［1］闻邦椿.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2010，1.