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213164;2.博世力士乐(常州)有限公司，江苏常州213161)

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［1］。

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45 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20－289 页、《液压手册》)，和一些行业规范(如《DL/T 5167-2002》24 页， 《SL41-93》13 页)中，对不需焊接的缸筒材料推荐使用45 钢，对需要焊接的缸筒推荐使用35 钢。而35 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45 钢为主。但45 钢焊接性能不佳，在此作者提出用Q345 代替45 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45 钢和Q345 的含碳量区别，如表1所示。

表1 45 钢、Q345 主要化学成分区别(质量分数)

从表1 可以看到:低合金高强度结构钢Q345 比优质碳素结构钢45 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45 钢，Q345 塑性和韧性良好，焊接性能良好，同时低温性能良好，可用于－40 ℃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45 钢和Q345 在机械性能方面的区别，如表2所示。

表2 45 钢、Q345 机械性能区别 MPa

从表2 可以看出，Q345 的屈服强度高于45 钢。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［4－6］。碳钢和低合金结构钢的碳当量公式为:

wC当量=wC+wMn/6 +(wCr+wMo+wV)/5 +(wNi+wCn)/15

根据此公式，可算出45 钢的碳当量为0.6% ～0.7%;Q345 的碳当量为0.171% ～0.597%。

当wC当量＜0.4% 时，可焊性较好;当wC当量=0.4% ～0.6%时，可焊性较差;当wC当量＞0.6%时，可焊性不好。相比45 钢，Q345 的碳当量较低，可焊性较好［2－4］。

在实际生产中，若必须选用45 钢作为缸筒材料，则在焊接前需对其高温预热［4－6］，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CDH1 油缸为基础，缸筒内径D=200 mm，外径D1=235 mm，壁厚t =17.5 mm，设计压力p=25 MPa(油缸为双作用，有杆腔/无杆腔均为25 MPa)。

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。

CDH1 缸筒的厚度比系数:

θ=D/t=11.1

由于θ≥10，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

σ=pD/2t=142.857

(2)根据文献［3］中的计算方法进行计算

环向应力:

径向应力:

r=D(内壁)时:

r=D1(外壁)时:

两端闭口纵向应力:

(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):

环向应力:

(4)根据博世力士乐通用计算的校验方法

纵向应力:

式中:pa为缸筒外部压力，文中所有计算假设外部压力为0。

环向应力:

径向应力:

按照第四强度理论计算等效应力:

式中:ri=D/2，ra=D1/2，r=ri，ri+t/100，…，ra，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164.552 MPa，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 CDH1 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Q345 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45 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。

【1】贾培起.液压缸［M］.北京:科学技术出版社，1987.

【2】成大先.机械设计手册(单行本)［M］.北京:化学工业出版社，2004.

【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，1997.

【4】王宗杰.工程材料焊接技术问答［M］.北京:机械工业出版社，2002.

【5】邓文英.金属工艺学:上册［M］.4 版.北京:高等教育出版社，2000.

【6】陈尚策，张命荣，魏广昇.机械工程材料及工艺基础:下册［M］.重庆:重庆大学出版社，1989.

【7】中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 5167-2002水电水利工程启闭机设计规范［S］.北京:中国电力出版社，2003.