大型轧机AGC伺服油缸结构疲劳研究

徐光月 马秀坤 何亚峰

摘 要：分析了大型轧机AGC伺服油缸的主要失效形式，其中最严重的失效形式为缸筒疲劳破坏。针对AGC伺服油缸缸筒结构，使用Creo软件三维建模，并基于有限元计算模块Creo Simulate对其应力分布进行有限元分析，然后基于疲劳分析软件FEMFAT对缸筒的疲劳强度进行评估。该计算方法模拟AGC伺服油缸工作的动态疲劳工况，为优化设计提供了理论依据，使整个设备更加安全可靠，保证了轧钢生产线的稳定运行。

关键词：AGC;油缸;疲劳;有限元;FEMFAT

0 引言

轧机AGC（Automatic Gauge Control）伺服液压缸是将液压能转变为机械能的液压执行元件，也是针对轧制力变化实施厚度调节的一种快速精确定位装置[1]。一条连轧线有多组AGC伺服液压缸，连续工作使板带达到需要的厚度及公差。AGC伺服油缸工况恶劣，一直处于高温、水汽、灰尘、冲击、持续动载环境之中，而缸筒疲劳开裂是油缸最严重的失效形式，将直接导致生产中断甚至造成安全隐患。

目前AGC伺服油缸设计制造大部分虽已国产化，但主要停留在模仿阶段。目前设计计算大部分靠经验，国内也有个别厂家对缸筒的疲劳失效进行了研究，如韶关液压件厂有限公司的涂晨于2017年7月提出一种方法，先使用有限元软件ANSYS计算出静态最大应力值，然后基于米塞斯应力，用材料疲劳强度的经验公式进行评估[2]。但这种方法在三维设计优化后，需要重新导入有限元进行计算，在两种软件之间切换，工作效率会降低;并且在疲劳评估时只简单地使用了疲劳强度的经验公式，并没有考虑到零件的表面粗造度、应力梯度、尺寸、循环周期等因素的影响。本文提出一种新方法，先在Creo里对AGC伺服油缸缸筒进行三维建模，并基于Creo Simulate模块[3]，采用有限元方法，计算出危险区域关键点和相邻点3个方向的最大主应力，然后基于专业疲劳分析软件FEMFAT进行疲劳评估。这种方法可以高效快速地对AGC伺服油缸缸筒进行计算，为AGC伺服油缸的设计提供了可靠的理论依据。

1 AGC伺服油缸的工况介绍及失效模式

为了在轧制过程中实时保证钢板的厚度和精度，AGC伺服油缸工作频率高、压力大，有些冷轧AGC伺服油缸的工作频率甚至达20 Hz，工作压力达35 MPa。油缸长期处于高低压交变的载荷下，工况相当恶劣。图1为AGC伺服油缸的受力工况。

AGC伺服油缸的失效模式主要有杆封损坏、活塞杆镀层磨损、活塞封损坏、缸筒开裂，其中以缸筒开裂后果最为严重，开裂部位主要在缸筒与缸底接合的圆角处。图2所示为国内某钢厂4300宽厚板粗轧机上的AGC伺服油缸缸筒失效照片。这种疲劳裂纹会最先出现在圆角表面，然后逐渐延展到材料内部，最终导致从裂纹处漏油。因此，在设计阶段对圆角处进行受力分析及疲劳计算显得尤为重要。

2 有限元计算

此AGC伺服油缸缸径为1 580 mm，活塞杆直径为1 450 mm，行程80 mm，缸筒外圆？准2 150 mm，缸底厚280 mm，圆角为R40 mm，工作压力29 MPa。缸筒材料采用合金钢42CrMo，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。

针对图2所示的油缸，本文提出一种新的圆角结构，去优化缸底圆角处的应力分布。优化后的圆角如图3所示，圆角由R40 mm优化为R100 mm，缸底厚度由280 mm优化为325 mm。活塞靠近缸底侧需要加工凹槽，这样加厚的缸底可以嵌入活塞里，从而不影响行程。

为了比较准确地模拟优化后结构的应力分布，下面通过Creo软件对缸筒进行三维建模，并使用Creo Simulate模块进行应力分析。

此结构可视为轴对称结构，可以用1/4模型进行分析，并删除不需要的孔、倒角等，然后在对称面上设置对称约束，将缸底与机架接合表面设为接触，并将机架完全约束。由于要将此计算结果作为后面疲劳计算的输入条件，而且笔者关心的区域为缸筒圆角，所以在Creo Simulate模块里沿圆角切出1 mm的环形体积块，用于后处理中查看相关应力值。

图4为原油缸缸筒应力分布图，图5为优化后油缸缸筒应力分布图，从中可以看出，原结构缸筒圆角处的最大米塞斯应力约为171 MPa。结构优化后，缸筒圆角处的最大米塞斯应力约为150 MPa。从有限元静力计算结果看出，此油缸结构优化后，圆角处米塞斯应力下降了12%，因此通过圆角结构优化可以降低缸筒的集中应力。

3 疲劳评估

疲劳计算的方法有经验公式、专业软件分析两种。使用经验公式的方法虽然简单，但考虑的因素相对较少，分析结果误差较大。本文使用专业疲劳评估软件FEMFAT对AGC伺服油缸缸筒进行疲劳评估，它是将优化前后两种方案的Creo Simulate有限元静力计算结果作为输入，并考虑到零件表面粗糙度及尺寸、统计方法、工作次数等因素，计算出安全系数。

缸筒的材料为42CrMo调质状态，试棒的尺寸为7.5 mm，S-N曲线如图6所示。

FEMFAT中输入缸筒圆角处表面粗糙度Ra3.2，缸镀锻件毛坯厚度约为300 mm，存活率为99.998%，循环次数为1×107次。

图7为FEMFAT输出的原油缸缸筒疲劳安全系数的分布图，圆角处最小疲劳安全系数为1.987。图8为优化后油缸缸筒疲劳安全系数的分布图，圆角处最小疲劳安全系数为2.575。从图中可以看出，通过更改圆角结构，可以改善缸筒的疲劳工况，提高油缸的疲劳强度，进一步延长油缸的寿命。

4 结语

本文分析了大型轧机AGC伺服油缸主要失效形式，提出了缸筒圆角改进方案，并基于Creo Simulate软件对两种方案进行有限元静力学对比分析，缸筒圆角优化后，有效降低了应力。然后又基于专业疲劳分析软件FEMFAT，在考虑零件表面粗糙度及尺寸、循环次数等因素的前提下，对两种方案进行了疲劳评估，优化后的结构较大程度地提高了缸筒的疲劳强度。因此，本文方法可以快速实现AGC伺服油缸缸筒疲劳评估，为AGC伺服油缸的设计提供了可靠的理论依据，保证了AGC伺服油缸的可靠性。

[参考文献]

[1] 龚云.大型轧机AGC伺服液压缸裂纹故障建模与寿命的研究[D].武汉：武汉科技大学，2015.

[2] 涂晨，刘晓滨，龚云.轧机AGC伺服液压缸缸底疲劳损坏分析与改善[J].机床与液压，2017，45（14）：158-161.

[3] 张洪涛.Pro/Engineer野火版4.0/5.0机械结构分析实战[M].北京：机械工业出版社，2011.

收稿日期：2021-04-20

作者简介：徐光月（1982—），男，江苏灌云人，硕士，机械工程师，研究方向：中大型液压缸及阀组设计。

马秀坤（1978—），女，江苏睢宁人，机械工程师，研究方向：中大型液压缸及阀组设计。

何亚峰（1975—），男，陕西宝鸡人，副教授，研究方向：机械设计与特种加工。