雷 蕾

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

Lei Lei

（Taiyuan Heavy Machinery Technology Center，Taiyuan Shanxi 030024）

引言

主缸是擠壓機(jī)的主要動力部件，它的制造成本在擠壓機(jī)制造總成本中占重要比例，主缸設(shè)計制造的可靠性直接影響到整個擠壓機(jī)的使用。主缸主要以鑄鍛件為主，在運(yùn)行的全過程中產(chǎn)生相對運(yùn)動，這就不可避免會產(chǎn)生機(jī)件的磨損，精度降低，受力零件疲勞失效等老化現(xiàn)象，所以主缸理論設(shè)計計算方法的合理性顯得非常重要。而傳統(tǒng)主缸的設(shè)計多基于參照成熟的設(shè)計案例以及經(jīng)驗(yàn)公式，缺乏設(shè)計計算的系統(tǒng)性及合理化，本文將設(shè)計計算方法進(jìn)行優(yōu)化，得到具有可靠性的理論設(shè)計方法。

1 主缸損壞情況及原因分析

主缸部件的作用在于把液壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。高壓液體進(jìn)入缸內(nèi)后，作用于柱塞上，經(jīng)過活動橫梁將力傳到工件上，從而使工件產(chǎn)生塑性變形［1］。其中，主缸是擠壓機(jī)的核心部件，高壓液體作用在主柱塞端面上的力，通過擠壓軸施加在擠壓筒內(nèi)的坯錠上，就形成所謂的擠壓力［2］。

主缸損壞的部位多數(shù)在法蘭與缸壁連接的圓弧部位，其次在缸壁向缸底過渡的圓弧部分，少數(shù)在圓筒筒壁產(chǎn)生裂紋，也有因氣蝕嚴(yán)重而破壞的。從主缸使用情況來看，一般在損壞時都已承受了很高的工作加載次數(shù)，裂紋是逐步形成和擴(kuò)展的，屬于疲勞損壞［3］。根據(jù)主缸使用環(huán)境及受力分析，主缸損壞的主要部位及特點(diǎn)有：

1）圓筒筒壁。一般裂紋首先出現(xiàn)于內(nèi)壁，逐漸向外發(fā)展，裂紋多為縱向分布，或與缸壁成45°角。

2）缸的法蘭部分。首先在缸外部法蘭過渡圓弧處出現(xiàn)裂紋，逐漸沿環(huán)向及內(nèi)壁擴(kuò)展，最后裂透，或者裂紋擴(kuò)展到螺釘孔，使法蘭局部脫落，個別嚴(yán)重情況，甚至沿過渡圓角處法蘭整圈開裂脫落。

3）缸底。首先在內(nèi)部過渡圓角處開始出現(xiàn)環(huán)向裂紋，逐漸向外壁擴(kuò)展乃至裂透。

4）主缸也有氣蝕產(chǎn)生蜂窩狀麻點(diǎn)而損壞，尤其是在進(jìn)液孔內(nèi)壁，容易產(chǎn)生氣蝕。

2 主缸設(shè)計步驟

根據(jù)設(shè)計所需主缸應(yīng)產(chǎn)生的名義總壓力P（N）及液壓系統(tǒng)選定的液體工作壓力p（bar）可按公式（1）確定柱塞直徑：

所得D值根據(jù)柱塞標(biāo)準(zhǔn)直徑表［1］選取相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑Dt。這樣，該缸實(shí)際能產(chǎn)生的最大總壓力為：

主缸的內(nèi)徑D1為：

式中：Δt為缸內(nèi)壁與柱塞間在直徑上的間隙值，根據(jù)缸的大小和長短來選取，一般鍛造主缸取10～15mm，鑄鋼主缸取20～30mm。

根據(jù)主缸選取合適的材料，并確定許用應(yīng)力［σ］，按照公式（4）可算出缸的外徑D2，缸的外半徑r2。法蘭外徑則根據(jù)許用擠壓應(yīng)力按公式（4）來確定。

式中：PH為主缸能發(fā)出的最大力，N；Fh為法蘭和橫梁的實(shí)際接觸環(huán)形面積，cm2，［σg］許用擠壓應(yīng)力。

圖1 缸的尺寸關(guān)系圖

根據(jù)計算優(yōu)化后的尺寸關(guān)系為：

式中：R1為缸的圓弧半徑；R為法蘭圓弧半徑。

3 主缸設(shè)計舉例

1）設(shè)計25MN臥式黑色金屬擠壓機(jī)的主缸，選取液體壓力為280bar。根據(jù)公式（1）和主缸設(shè)計應(yīng)產(chǎn)生的名義壓力P（N）以及選取的液體工作壓力p（bar），計算所得結(jié)果經(jīng)過圓整后按柱塞標(biāo)準(zhǔn)直徑表選取柱塞直徑：Dt＝90cm＝900mm。鑄鋼主缸選取Δt＝1.5cm＝15mm，所以主缸內(nèi)徑D1＝Dt＋Δt＝91.5cm＝915mm；主缸的外徑D2（其中法蘭支座許用應(yīng)力［σ］＝100MPa）：

圓整計算結(jié)果取D2＝1 190mm，所以可知缸壁厚為：

從而通過公式（5）可以獲得缸體的其他相關(guān)尺寸：t＝275mm；h＝250mm；R1＝115mm；R＝30mm。

法蘭外徑D4根據(jù)式（4）計算，取許用擠壓應(yīng)力［σg］＝80MPa，

計算得D4≥1 367.9mm，經(jīng)過圓整取法蘭外徑D4＝1 370mm

強(qiáng)度校核。通過對缸體缸壁應(yīng)力、臺肩應(yīng)力以及缸底強(qiáng)度進(jìn)行校核計算，其結(jié)果均小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，所以主缸的關(guān)鍵尺寸設(shè)計滿足理論需求（見圖2）。

圖2 主缸的設(shè)計尺寸圖（mm）

4 結(jié)語

本文對主缸易失效部位缸體的圓筒筒壁、法蘭部分和缸底進(jìn)行失效形式的分析，并歸納優(yōu)化每個易失效部位合理的理論計算方法。通過設(shè)計舉例，計算獲得25MN，液體壓力為280bar黑色金屬擠壓機(jī)主缸的關(guān)鍵尺寸，并校核驗(yàn)證其設(shè)計尺寸的可靠性。全文論述了擠壓機(jī)主缸的關(guān)鍵尺寸的設(shè)計過程，從而減少因設(shè)計不當(dāng)而造成的主缸的損壞失效。

［1］ 俞新陸.液壓機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［2］ 魏軍.金屬擠壓機(jī)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.