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寶鋼湛江鋼鐵有限公司

1 引言

某連續(xù)式卸船機(jī)反復(fù)出現(xiàn)俯仰懸臂無(wú)法動(dòng)作、系統(tǒng)壓力無(wú)法建立、取料頭無(wú)法維持規(guī)定作業(yè)位置的問題。為消除上述異常,在對(duì)俯仰液壓系統(tǒng)進(jìn)行全面清洗、檢查、修復(fù)過程中,發(fā)現(xiàn)海側(cè)液壓缸缸筒存在脹缸現(xiàn)象,經(jīng)測(cè)量缸筒內(nèi)徑最大增加7 mm,發(fā)生明顯塑性變形,需對(duì)該液壓缸缸筒進(jìn)行計(jì)算校核。

2 校核計(jì)算

參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第六版第5卷》液壓缸缸筒最小壁厚計(jì)算公式[1],其描述了在缸筒設(shè)計(jì)時(shí),缸筒最小壁厚、缸筒內(nèi)最高工作壓力、缸筒材料的許用應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度與安全系數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)合該公式,對(duì)缸筒進(jìn)行校核與分析。

當(dāng)δ/D=0.08～0.3時(shí),

(1)

式中,δ為缸筒最小壁厚,m;D為缸筒內(nèi)徑,m;pmax為缸筒內(nèi)最高工作壓力,MPa;σp為缸筒材料的許用應(yīng)力,MPa;σb為缸筒材料的抗拉強(qiáng)度,MPa;σp=σb/n(n為選用的安全系數(shù))。

2.1 缸筒材料許用應(yīng)力計(jì)算分析

連續(xù)式卸船機(jī)俯仰液壓缸缸筒外徑為610 mm,內(nèi)徑為520 mm,壁厚45 mm,制作材料為Q345B,根據(jù)液壓缸壁厚計(jì)算公式δ/D=45/520=0.086 5,符合計(jì)算公式(1)的前提條件,可以計(jì)算。

由公式(1)推理?yè)Q算,缸筒材料的許用應(yīng)力公式為:

(2)

以液壓缸管路安全溢流閥設(shè)定壓力34.3 MPa作為缸筒內(nèi)最高工作壓力,代入公式(2),得出在設(shè)計(jì)壁厚為45 mm時(shí),缸筒材料的許用應(yīng)力應(yīng)不小于217 MPa。

2.2 缸筒材料最低抗拉強(qiáng)度計(jì)算分析

連續(xù)式卸船機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過程中,俯仰液壓缸長(zhǎng)期受不對(duì)稱交變載荷沖擊。參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第六版 第5卷》,該工況下液壓缸的對(duì)應(yīng)安全系數(shù)應(yīng)選擇n=5計(jì)算,結(jié)合缸筒材料的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式σb=n×σp,缸筒材料最低抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于1 085 MPa。

2.3 缸筒設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

該液壓缸原設(shè)計(jì)制造材料Q345B在40～63 mm厚度范圍內(nèi),最低抗拉強(qiáng)度為470 MPa,不能滿足缸筒材料最低抗拉強(qiáng)度要求。若缸筒壁厚45 mm不變,計(jì)算使用Q345B材料的液壓缸現(xiàn)安全系數(shù)為n≈2.2,不滿足對(duì)應(yīng)工況下的安全系數(shù)要求。因此目前缸筒設(shè)計(jì)無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)工況使用需求,需優(yōu)化缸筒設(shè)計(jì)。

若仍繼續(xù)使用Q345B作為缸筒制造材料,在滿足交變載荷安全系數(shù)n=5的前提下,根據(jù)公式(1)計(jì)算得出,最小壁厚應(yīng)不小于157 mm。此時(shí),δ/D≈0.3,實(shí)際上,當(dāng)δ/D>0.2時(shí),材料選用已不夠經(jīng)濟(jì),應(yīng)改用高屈服強(qiáng)度的材料。

若不改變現(xiàn)有缸筒設(shè)計(jì)壁厚45 mm,在滿足交變載荷安全系數(shù)n=5的前提下,則缸筒制造應(yīng)選取最低抗拉強(qiáng)度不小于1 085 MPa的材料,合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo(抗拉強(qiáng)度1 080 MPa)接近滿足要求,合金結(jié)構(gòu)鋼37CrNi3(抗拉強(qiáng)度1 130 MPa)、合金結(jié)構(gòu)鋼50CrVA(抗拉強(qiáng)度1 280 MPa)等滿足要求。

3 改進(jìn)措施

經(jīng)計(jì)算分析,在原設(shè)計(jì)壁厚下,該液壓缸缸筒制造選用Q345B材料的安全系數(shù)難以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用工況,是本次液壓缸缸筒變形的根本原因。現(xiàn)場(chǎng)采取臨時(shí)措施在液壓缸缸筒最大膨脹點(diǎn)外壁附近設(shè)置一層抱箍夾緊加固,可以適當(dāng)減小液壓缸在承受交變載荷工況時(shí)發(fā)生脹缸甚至爆缸的風(fēng)險(xiǎn),但無(wú)法完全消除[2]。

材料選擇是高壓液壓缸設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在保證液壓缸材料力學(xué)性能滿足抵抗破壞的強(qiáng)度要求后,還要考慮滿足抵抗變形的剛度要求,保證液壓缸的塑性變形在允許范圍內(nèi)[3]。因此從使用安全的角度,為滿足現(xiàn)場(chǎng)工況對(duì)缸筒的剛度要求,后續(xù)建議選用合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo以上材質(zhì)作為高壓缸筒制造材料。建議后續(xù)更換缸筒時(shí),優(yōu)化缸筒制造材料或?qū)Ω淄矁?nèi)壁進(jìn)行增厚,以提高缸筒的安全系數(shù)。

即使在減負(fù)荷與抱箍夾緊加固的情況下,脹缸液壓缸的狀態(tài)仍不能完全受控。因此,為減少脹缸狀態(tài)液壓缸的在機(jī)時(shí)間,降低故障擴(kuò)大化風(fēng)險(xiǎn),臨時(shí)更換一個(gè)液壓缸作為替換。具體參數(shù)比對(duì)見表1。

表1 液壓缸參數(shù)比對(duì)表

替換液壓缸較原設(shè)計(jì)液壓缸,外徑增大,內(nèi)徑減小,壁厚增加,應(yīng)用缸筒材料的許用應(yīng)力公式對(duì)替換液壓缸進(jìn)行校核。替換液壓缸試驗(yàn)壓力與原設(shè)計(jì)液壓缸相同,得出在替換液壓缸材料為Q345B,壁厚為57 mm時(shí),缸筒材料的許用應(yīng)力應(yīng)不小于175 MPa,其液壓缸安全系數(shù)為n≈2.6,上機(jī)后系統(tǒng)安全性能有所提高。從系統(tǒng)安全性能提升的角度分析,該液壓缸可以臨時(shí)替換上機(jī)使用。

替換液壓缸在作業(yè)過程中還需滿足與另一側(cè)原設(shè)計(jì)液壓缸進(jìn)行同步控制的要求。在實(shí)際取料作業(yè)過程中,取料斗的重量對(duì)液壓缸活塞桿產(chǎn)生拉力,液壓缸有桿腔在此過程中受壓,無(wú)桿腔不受壓。因替換液壓缸對(duì)比原設(shè)計(jì)液壓缸內(nèi)徑減小,有效作用面積減少,若直接安裝上機(jī),會(huì)造成海側(cè)、陸側(cè)2個(gè)液壓缸有桿腔的工作壓力不同。當(dāng)料斗連續(xù)取料一圈后臂架需要下降,此時(shí),液控單向閥到達(dá)壓力設(shè)定值打開,有桿腔排油。因兩側(cè)液壓缸有桿腔工作壓力不同,液控單向閥背壓值不一致,閥門無(wú)法同步打開,造成兩側(cè)液壓缸壓力差過大,伸縮速度、伸縮量不一致,最終導(dǎo)致液壓系統(tǒng)觸發(fā)泵高壓保護(hù)而停機(jī)。因此,需要一種方案解決兩側(cè)液壓缸有桿腔工作壓力不一致的問題,才能使替換液壓缸上機(jī)使用。

經(jīng)研究,提出了用等壓聯(lián)通管將2個(gè)液壓缸有桿腔的應(yīng)急回路連接(見圖1 LB接口),再將液壓站的應(yīng)急回路關(guān)閉,與回油路分開,保證兩側(cè)有桿腔工作壓力一致的方案。將替換液壓缸安裝上機(jī),經(jīng)減負(fù)作業(yè)試驗(yàn),取料系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。后續(xù)逐步提高到額定工作效率,順利完成取料作業(yè)直至新液壓缸制造完成。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某連續(xù)式卸船機(jī)液壓缸脹缸問題,通過缸筒最小壁厚計(jì)算公式對(duì)該液壓缸進(jìn)行驗(yàn)算,發(fā)現(xiàn)該液壓缸缸筒變形的根本原因是其制造選用Q345B材料在設(shè)計(jì)壁厚為45 mm的前提下,安全系數(shù)難以滿足現(xiàn)場(chǎng)交變載荷工況的使用需求。后續(xù)在采購(gòu)更換新備件時(shí),應(yīng)增加缸筒壁厚或優(yōu)化缸筒制造材料,提高缸筒的安全系數(shù)以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。對(duì)此類液壓缸脹缸問題提出的對(duì)策及建議,可為后續(xù)同類故障分析消除提供參考。