大型液压缸缸筒的新型设计研究.pdf

2 0 1 3年 5月 第 4 1卷 第 1 O期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I C S Ma v 2 0l 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 3 9 大型液压缸缸筒的新型设计研究 庞雨花 ，侯军府 1 ．常州机 电职业技术学院机械工程 系，江苏常州 2 1 3 1 6 4； 2 ． 博世力士乐 常州有限公司，江苏常州2 1 3 1 6 1 摘要针对长行程大缸径的液压缸，从材料成分、机械性能、焊接性能 3方面论证将需要焊接的大型液压缸缸筒的材 料由4 5钢替换为 Q 3 4 5的必要性。对比4种标准的缸筒强度校核方法，计算其差别，并用有限元法得到详细的应力、应变 分布云图。根据结果，分析最优设计方案 ，使设计最大程度满足要求。 关键词大型液压缸 ；缸简 ；材料；强度校核；有限元法 中图分类号T H1 2 3． 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1- 3 8 8 1 2 0 1 3 1 O一 1 1 6- 3 Re s e a r c h o f Ne w De s i g n o f La r g e Hy d r a ul i c Cy l i n de r Cy l i nd e r P ANG Yu h u a ．HO U J u n f u 1 ． C h a n g z h o u I n s t i t u t e o f Me c h a t r o n i c T e c h n o l o g y ，C h a n g z h o u J i a n g s u 2 1 3 1 64 ，C h i n a ； 2 ． B o s c h R e x r o t h G r o u p C h a n g z h o u ，C h a n g z h o u J i a n g s u 2 1 3 1 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f h y d r a u l i c c y l i n d e r s w i t h l a r g e d i a me t e r a n d l o n g s t r o k e ， t h e n e c e s s i t y o f c y l i n d e r ma t e r i a l r e p l a c e me n t o f 4 5 s t e e l b y Q 3 4 5 w a s d e m o n s t r a t e d a c c o r d i n g t o m a t e r i al c o m p o s i t i o n ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d w e l d i n g p e r f o r ma n c e ．C o m p a r i n g f o u r k i n d s o f s t a n d a r d c y l i n d e r s t r e n g t h c h e c k me t h o d ，the d i ff e r e n c e w a s c alc u l a t e d ． Us i n g t h e fi n i t e e l e me n t me t h o d，t h e d e t a i l s t r e s s ， s tra i n d i s t r i b u t i o n s w e r e g o t t e n．Ac c o rdi n g t o t h e r e s u l t s ，t h e o p t i ma l d e s i g n wa y w a g ana l y z e d t o me e t d e s i gn r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s L a r g e h y d r a u l i c c y l i n d e r ；Cy l i n d e r ；Ma t e ri al；S t r e n g t h c h e c k i n g ；F i n i t e e l e me n t me t h o d 液压缸是液压系统中最重要的执行元件 ，缸筒是 液压缸的主体零件 ，它与缸盖、活塞等零件构成密闭 的容腔 ，通过油压 ，推动活塞运动 。 近年来，随着工业设备的大型化，液压系统的工 作压力越来 越高、行程越来越 长，这对缸 筒的各方面 参数提出新的要求 ，其中最重要的就是材料选取和强 度校核 。现市场上大量采用的缸筒材料是 4 5钢 ，由于 其焊接性能差，逐渐无法满足有焊接需求的长行程大 径缸筒设计；另一方面，现阶段的缸筒强度校核方法 也逐渐无法满足长行程大 型液压缸 的稳定性需求 。因 此 ，寻求一种新的材料，选择更精确的强度校核方法， 是大型液压缸面临的一个不得不研究的新的课题 。 1 材 料选 型 目前，缸筒的主要原材料为热轧无缝管或锻钢 管。基于 目前的国内加工工艺，不可能直接获得完整 的大缸径、大行程缸筒毛坯。因此，缸筒的焊接已不 可避免 。 现今的一些相关液压标准 如 机械设计手册 单行本 2 0 2 8 9页、 液压手册 ，和一些行业规范 如 D I V T 5 1 6 ％2 0 0 2 2 4页， S L 4 1 - 9 3 1 3页 中，对不需焊接的缸筒材料推荐使用 4 5钢，对需要 焊接的缸筒推荐使用 3 5钢。而 3 5钢 由于强度太差 ， 无法应用于大型缸筒 ，因此市场上的大型液压缸 ，其 缸筒材料都 以4 5钢 为主。但 4 5钢焊接 性能不佳 ，在 此作者提出用 Q 3 4 5 代替4 5钢作为有拼焊需求的缸筒 的原材料 ，具体从化学成分、机械性能、焊接性能方 面详细论证 如下。 1 ． 1 材料 成分 对 比 由文献 [ 2 ]可 以查 出 4 5钢 和 Q 3 4 5的含碳 量 区 别，如表 1 所示。 表 1 4 5钢、Q 3 4 5主要化学成分区别 质■分数 收稿 日期 2 0 1 20 3 2 2 作者简介庞雨花 1 9 8 2 一 ，女，研究生，讲师，研究方向为液压系统。E m a i l p y h u a 2 0 0 3 1 6 3 ． c o m。 第 1 0期 庞雨花 等 大型液压缸缸筒 的新型设计研究 1 1 7 从表 1 可 以看到 低合金 高强度 结构钢 Q 3 4 5比 优质碳 素结构钢 4 5钢 的含碳量 低 了一 半 多 ，而含碳 量的高低 ，直接造成两种材料在加工制造方面的区 别 。相 比 4 5钢 ，Q 3 4 5塑性 和韧性 良好 ，焊 接性 能 良 好 ，同时低温性 能 良好 ，可用 于 一 4 0℃ 以下 的寒 冷 地 区的各种结构 。 1 ． 2机械 性 能对 比 目前缸筒强度校核主要考虑 的是材料 的抗拉强度 和屈服强度 ，而现有的各种设计手册中，计算均以屈 服强度为主 如 机械设计手册 。 根据文献[ 3 ] ，可以查出 4 5钢和 Q 3 4 5在机械 性能方面 的区别 ，如表 2 所示 。 表 2 4 5钢、Q 3 4 5机械性能 区别 b l P a 从表 2可以看出，Q 3 4 5的屈服强度高于 4 5钢。 也即在 同等壁 厚 的前提下 ，采 用 Q 3 4 5可 以得到更高 的安全保障。 1 ． 3焊接 性 能对 比 目前焊接结构用 的金属材料 主要是钢 材。其组成 元素中，碳的影响最为明显 ，其他合金元素的影响可 折合成 碳的作用来估 计 ，也就是碳 当量法 。碳钢 和低合金结构钢的碳当量公式为 c 当 量 W c W M ／ 6 W c W M 。 W v ／ 5 N j c ／ 1 5 根据此公式，可算 出 4 5钢的碳 当量为 0 ． 6 ％ 一 0 ． 7 ％；Q 3 4 5的碳当量为 0 ． 1 7 1 ％ ～ 0 ． 5 9 7 ％。 当 c 当 量0 ． 6 ％ 时 ， 可焊性不好。相比4 5钢，Q 3 4 5的碳当量较低 ，可焊 性较好 。 在实际生产 中，若必须选用 4 5钢作 为缸筒 材料 ， 则在焊接前需对其高温预热 ] ，同时在焊接过程中 对焊接工艺要求也极严格，造成加工制造过程不好控 制，最后对焊接后的成品做无损检测时合格率较低。 因此 ，根据上述 3个方 面 ，对 于大缸径 的大行 程 缸 筒 ，其材料替换势在必行 。 2 强度校核 缸筒 的强度校核 以标准 C D H 1 油缸为基础 ，缸筒 内径 D2 0 0 m m，外径 D， 2 3 5 m m，壁厚 t 1 7 ． 5 m m，设计压力 P 2 5 MP a 油 缸为双作 用 ，有杆 腔／ 无杆腔均为 2 5 M P a 。 作者分别用文献[ 1 ] 、文献 [ 2 ] 、文献[ 7] 、 力士乐水利通用计算等4种方法校核缸筒的强度。 C D H1 缸筒的厚度比系数 0D／ tl 1 ． 1 由于 0 I1 0 ，所 以只能 以薄壁钢筒 的方式进 行计 算 。 1 根据文献 [ 1 ]中的计算方法进行计算 缸筒计算应力值为 p D／ 2t 1 4 2 ． 8 5 7 2 根据文献 [ 3 ]中的计算方法进行计算 环 向应力 器 譬 径 向应力 岳 1 - 等 r D 内壁 时 D D m“ P D 一 - D 2 5 6 3 6 3 M P a 一P 一2 5 MPa r D ． 外 壁 时 2 p 1 3 1 ． 3 6 3 M P a i 0 两端闭 口纵 向应力 ． D 一 2 2 。 6 5 ． 6 8 1 M P a 一 √ [ 一 一 一 】 1 5 7 ． 0 6 5 MP a 3 根据文献 [ 7 ]中的计算方法进行计算 纵向应力 由于假 设油 缸 为双作 用 ，有 杆 腔 和 无杆腔压力相 同，则最大的纵 向力为推力 6 5 ． 68 MP a 环向应力 p DI 1 4 2 ． 8 6 MP a ／ 一 。， 1 2 3 ． 8 5 M P o r o r o r I Z ．5 lV l t a ／ z 十 r z r 4 根据博世力士乐通用计算 的校验方法 纵 向应力 ． 6 8 MP a 有计 算假 设外 部 所 6 中 文 一 一 ， T 力 一 一， 压 叩 部 外 l l筒 旺 m 为 。 为 中力 式压 1 1 8 机床与液压 第 4 1 卷 一丢 卜 鑫 1 2 1 5 6 ． 3 6 M P a ’ ● ， 一 P。南 1 PFi 鑫／i 一 。 _ l } 一 l 一 _ r 一 ＼ r ， r 一 1 M P a 按 照第 四强度理论计算等效应力 r 1 ／ 。 一盯 一 一 1 5 7 ． 0 6 MP a 式 中 D ／ 2 ，r D 1 ／ 2 ，r r i ，r i t ／ 1 0 0 ，⋯，r ， 对壁厚进行离散 。 5 引入有限元在同等工况下 进行模 拟 ，与前 4 项计算结果进行对 比 由图 1 可 知 有 限 元计 算结 果 为 1 6 4 ． 5 5 2 M P a ， 其结果 与文献 [ 3 ]及博世力士乐 通用计算 的校验方 法最为接近。因此 ，建议校验液压缸缸筒时优先使用 文献 [ 3 ] 中的校验方法 。 图 1 C D H1 液压缸缸筒有 限元分析 3结束语 根据大缸径长行 程缸筒 需要焊 接的特殊要求 ，重 新选择 Q 3 4 5为缸筒材料，有效地增强了材料 的塑 性、韧性、屈服强度及焊接性能，避免 了4 5钢材料 焊接所造成的合格率低的问题。利用有限元对 4种资 料提供的缸筒强度校核方法进行 比较，可得 文献 [ 3 ]中或博世力士乐的强度计算相对较为合理。 参考文献 【 1 】 贾培起． 液压缸[ M] ． 北京 科学技术出版社 ， 1 9 8 7 ． 【 2 】 成大先， 机械设计手册 单行本 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 3 】 机械工程手册编委会． 机械工程手册[ M] ． 2 版． 北京 机 械工业 出版社 ， 1 9 9 7 ． 【 4 】王宗杰． 工程材料焊接技术问答[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 5 】邓文英． 金属工艺学 上册[ M ] ． 4 版． 北京 高等教育出 版社 ， 2 0 0 0 ． 【 6 】陈尚策， 张命荣， 魏广异． 机械工程材料及工艺基础 下 册[ M] ． 重庆 重庆大学出版社， 1 9 8 9 ． 【 7 】中华人民共和国国家经济贸易委员会． D L ／ T 5 1 6 7 2 0 0 2 水电水利工程启闭机设计规范[ s ] ． 北京 中国电力出 版社 ， 2 0 0 3 ． 进 各 用 英 过 的 了 T T T T ’ ． 德研制机器蜻蜒 可用手机控制．j 据外媒报道 ，德 国一 家公 司研制 出一 款 先 - { 的机器蜻蜓 ，名为 “ B i o n i c O p t e r ” ，能够做出 ‘ 1 种犹如杂耍 般 的复 杂飞行 动作 ，同时 能够 使 ． 1 手机进行控制。这款机器蜻蜓的长度超过 1 7‘ 1 寸 约合 4 3 c m ，尺寸远超真正的蜻蜓 。不 ． 』 ，它在空中飞行时的灵敏程度并不亚于真正 ’ 1 蜻蜓 。 ． 』 B i o n i c O p t e r 能够 朝 着任 何 方 向飞 行 ，甚 至 能够盘旋 ，就像 真正 的蜻 蜓一样 。费斯 托公 司 表示 B i o n i c O p t e r 的 4个 翅膀 采 用碳 纤 维 和箔 材料 ，每 秒 可振 翅 2 0次 ，驱 动 蜻蜓 在 空 中飞 行 。确 切 地 说 ，它 的 飞 行 动 作 更 像 是 游 泳 。 B i o n i c O p t e r 的翼展达到 6 3 c m，体长 4 4 c m，质 量 1 7 5 g 。 与真正的蜻蜓一样 ，B i o n i c O p t e r 能够朝着 任何方向飞行，进行最复杂的飞行机动。此外， B i o n i e O p t e r 还能单独振动每一个翅膀，用 以进 行减速和急转弯，加速和后退。 来源 中国科技 网 j L j