大型液壓缸缸筒的新型設(shè)計(jì)研究

龐雨花，侯軍府

(1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，江蘇常州213164;2.博世力士樂(lè)(常州)有限公司，江蘇常州213161)

液壓缸是液壓系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行元件，缸筒是液壓缸的主體零件，它與缸蓋、活塞等零件構(gòu)成密閉的容腔，通過(guò)油壓，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)［1］。

近年來(lái)，隨著工業(yè)設(shè)備的大型化，液壓系統(tǒng)的工作壓力越來(lái)越高、行程越來(lái)越長(zhǎng)，這對(duì)缸筒的各方面參數(shù)提出新的要求，其中最重要的就是材料選取和強(qiáng)度校核。現(xiàn)市場(chǎng)上大量采用的缸筒材料是45 鋼，由于其焊接性能差，逐漸無(wú)法滿足有焊接需求的長(zhǎng)行程大徑缸筒設(shè)計(jì);另一方面，現(xiàn)階段的缸筒強(qiáng)度校核方法也逐漸無(wú)法滿足長(zhǎng)行程大型液壓缸的穩(wěn)定性需求。因此，尋求一種新的材料，選擇更精確的強(qiáng)度校核方法，是大型液壓缸面臨的一個(gè)不得不研究的新的課題。

1 材料選型

目前，缸筒的主要原材料為熱軋無(wú)縫管或鍛鋼管。基于目前的國(guó)內(nèi)加工工藝，不可能直接獲得完整的大缸徑、大行程缸筒毛坯。因此，缸筒的焊接已不可避免。

現(xiàn)今的一些相關(guān)液壓標(biāo)準(zhǔn)(如《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》單行本20－289 頁(yè)、《液壓手冊(cè)》)，和一些行業(yè)規(guī)范(如《DL/T 5167-2002》24 頁(yè)， 《SL41-93》13 頁(yè))中，對(duì)不需焊接的缸筒材料推薦使用45 鋼，對(duì)需要焊接的缸筒推薦使用35 鋼。而35 鋼由于強(qiáng)度太差，無(wú)法應(yīng)用于大型缸筒，因此市場(chǎng)上的大型液壓缸，其缸筒材料都以45 鋼為主。但45 鋼焊接性能不佳，在此作者提出用Q345 代替45 鋼作為有拼焊需求的缸筒的原材料，具體從化學(xué)成分、機(jī)械性能、焊接性能方面詳細(xì)論證如下。

1.1 材料成分對(duì)比

由文獻(xiàn)［2］可以查出45 鋼和Q345 的含碳量區(qū)別，如表1所示。

表1 45 鋼、Q345 主要化學(xué)成分區(qū)別(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

從表1 可以看到:低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345 比優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45 鋼的含碳量低了一半多，而含碳量的高低，直接造成兩種材料在加工制造方面的區(qū)別。相比45 鋼，Q345 塑性和韌性良好，焊接性能良好，同時(shí)低溫性能良好，可用于－40 ℃以下的寒冷地區(qū)的各種結(jié)構(gòu)。

1.2 機(jī)械性能對(duì)比

目前缸筒強(qiáng)度校核主要考慮的是材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而現(xiàn)有的各種設(shè)計(jì)手冊(cè)中，計(jì)算均以屈服強(qiáng)度為主(如《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》)。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，可以查出45 鋼和Q345 在機(jī)械性能方面的區(qū)別，如表2所示。

表2 45 鋼、Q345 機(jī)械性能區(qū)別 MPa

從表2 可以看出，Q345 的屈服強(qiáng)度高于45 鋼。也即在同等壁厚的前提下，采用Q345 可以得到更高的安全保障。

1.3 焊接性能對(duì)比

目前焊接結(jié)構(gòu)用的金屬材料主要是鋼材。其組成元素中，碳的影響最為明顯，其他合金元素的影響可折合成碳的作用來(lái)估計(jì)，也就是碳當(dāng)量法［4－6］。碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量公式為:

wC當(dāng)量=wC+wMn/6 +(wCr+wMo+wV)/5 +(wNi+wCn)/15

根據(jù)此公式，可算出45 鋼的碳當(dāng)量為0.6% ～0.7%;Q345 的碳當(dāng)量為0.171% ～0.597%。

當(dāng)wC當(dāng)量＜0.4% 時(shí)，可焊性較好;當(dāng)wC當(dāng)量=0.4% ～0.6%時(shí)，可焊性較差;當(dāng)wC當(dāng)量＞0.6%時(shí)，可焊性不好。相比45 鋼，Q345 的碳當(dāng)量較低，可焊性較好［2－4］。

在實(shí)際生產(chǎn)中，若必須選用45 鋼作為缸筒材料，則在焊接前需對(duì)其高溫預(yù)熱［4－6］，同時(shí)在焊接過(guò)程中對(duì)焊接工藝要求也極嚴(yán)格，造成加工制造過(guò)程不好控制，最后對(duì)焊接后的成品做無(wú)損檢測(cè)時(shí)合格率較低。

因此，根據(jù)上述3 個(gè)方面，對(duì)于大缸徑的大行程缸筒，其材料替換勢(shì)在必行。

2 強(qiáng)度校核

缸筒的強(qiáng)度校核以標(biāo)準(zhǔn)CDH1 油缸為基礎(chǔ)，缸筒內(nèi)徑D=200 mm，外徑D1=235 mm，壁厚t =17.5 mm，設(shè)計(jì)壓力p=25 MPa(油缸為雙作用，有桿腔/無(wú)桿腔均為25 MPa)。

作者分別用文獻(xiàn)［1］、文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［7］、力士樂(lè)水利通用計(jì)算等4 種方法校核缸筒的強(qiáng)度。

CDH1 缸筒的厚度比系數(shù):

θ=D/t=11.1

由于θ≥10，所以只能以薄壁鋼筒的方式進(jìn)行計(jì)算。

(1)根據(jù)文獻(xiàn)［1］中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算

缸筒計(jì)算應(yīng)力值為

σ=pD/2t=142.857

(2)根據(jù)文獻(xiàn)［3］中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算

環(huán)向應(yīng)力:

徑向應(yīng)力:

r=D(內(nèi)壁)時(shí):

r=D1(外壁)時(shí):

兩端閉口縱向應(yīng)力:

(3)根據(jù)文獻(xiàn)［7］中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算

縱向應(yīng)力(由于假設(shè)油缸為雙作用，有桿腔和無(wú)桿腔壓力相同，則最大的縱向力為推力):

環(huán)向應(yīng)力:

(4)根據(jù)博世力士樂(lè)通用計(jì)算的校驗(yàn)方法

縱向應(yīng)力:

式中:pa為缸筒外部壓力，文中所有計(jì)算假設(shè)外部壓力為0。

環(huán)向應(yīng)力:

徑向應(yīng)力:

按照第四強(qiáng)度理論計(jì)算等效應(yīng)力:

式中:ri=D/2，ra=D1/2，r=ri，ri+t/100，…，ra，對(duì)壁厚進(jìn)行離散。

(5)引入有限元在同等工況下進(jìn)行模擬，與前4項(xiàng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比

由圖1 可知:有限元計(jì)算結(jié)果為164.552 MPa，其結(jié)果與文獻(xiàn)［3］及博世力士樂(lè)通用計(jì)算的校驗(yàn)方法最為接近。因此，建議校驗(yàn)液壓缸缸筒時(shí)優(yōu)先使用文獻(xiàn)［3］中的校驗(yàn)方法。

圖1 CDH1 液壓缸缸筒有限元分析

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)大缸徑長(zhǎng)行程缸筒需要焊接的特殊要求，重新選擇Q345 為缸筒材料，有效地增強(qiáng)了材料的塑性、韌性、屈服強(qiáng)度及焊接性能，避免了45 鋼材料焊接所造成的合格率低的問(wèn)題。利用有限元對(duì)4 種資料提供的缸筒強(qiáng)度校核方法進(jìn)行比較，可得:文獻(xiàn)［3］中或博世力士樂(lè)的強(qiáng)度計(jì)算相對(duì)較為合理。

【1】賈培起.液壓缸［M］.北京:科學(xué)技術(shù)出版社，1987.

【2】成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(單行本)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

【3】機(jī)械工程手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)［M］.2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

【4】王宗杰.工程材料焊接技術(shù)問(wèn)答［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

【5】鄧文英.金屬工藝學(xué):上冊(cè)［M］.4 版.北京:高等教育出版社，2000.

【6】陳尚策，張命榮，魏廣昇.機(jī)械工程材料及工藝基礎(chǔ):下冊(cè)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1989.

【7】中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T 5167-2002水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2003.