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?,F(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(mǎn)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(mǎn)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。
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。
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)。
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。
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。
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
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.