大型軋機(jī)AGC伺服油缸結(jié)構(gòu)疲勞研究

引言

軋機(jī)AGC(Automatic Gauge Control）伺服液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的液壓執(zhí)行元件,也是針對軋制力變化實(shí)施厚度調(diào)節(jié)的一種快速精確定位裝置。一條連軋線有多組AGC伺服液壓缸,連續(xù)工作使板帶達(dá)到需要的厚度及公差。AGC伺服油缸工況惡劣,一直處于高溫、水汽、灰塵、沖擊、持續(xù)動載環(huán)境之中,而缸筒疲勞開裂是油缸最嚴(yán)重的失效形式,將直接導(dǎo)致生產(chǎn)中斷甚至造成安全隱患。

目前AGC伺服油缸設(shè)計(jì)制造大部分雖已國產(chǎn)化,但主要停留在模仿階段。目前設(shè)計(jì)計(jì)算大部分靠經(jīng)驗(yàn),國內(nèi)也有個別廠家對缸筒的疲勞失效進(jìn)行了研究,如韶關(guān)液壓件廠有限公司的涂晨于2017年7月提出一種方法,先使用有限元軟件ANSYS計(jì)算出靜態(tài)最大應(yīng)力值,然后基于米塞斯應(yīng)力,用材料疲勞強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行評估。但這種方法在三維設(shè)計(jì)優(yōu)化后,需要重新導(dǎo)入有限元進(jìn)行計(jì)算,在兩種軟件之間切換,工作效率會降低:并且在疲勞評估時只簡單地使用了疲勞強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式,并沒有考慮到零件的表面粗造度、應(yīng)力梯度、尺寸、循環(huán)周期等因素的影響。本文提出一種新方法,先在Creo里對AGC伺服油缸缸筒進(jìn)行三維建模,并基于Creo Simulate模塊,采用有限元方法,計(jì)算出危險區(qū)域關(guān)鍵點(diǎn)和相鄰點(diǎn)3個方向的最大主應(yīng)力,然后基于專業(yè)疲勞分析軟件FEMFAT進(jìn)行疲勞評估。這種方法可以高效快速地對AGC伺服油缸缸筒進(jìn)行計(jì)算,為AGC伺服油缸的設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。

1AGC伺服油缸的工況介紹及失效模式

為了在軋制過程中實(shí)時保證鋼板的厚度和精度,AGC伺服油缸工作頻率高、壓力大,有些冷軋AGC伺服油缸的工作頻率甚至達(dá)20Hz,工作壓力達(dá)35MPa。油缸長期處于高低壓交變的載荷下,工況相當(dāng)惡劣。圖1為AGC伺服油缸的受力工況。

AGC伺服油缸的失效模式主要有桿封損壞、活塞桿鍍層磨損、活塞封損壞、缸筒開裂,其中以缸筒開裂后果最為嚴(yán)重,開裂部位主要在缸筒與缸底接合的圓角處。圖2所示為國內(nèi)某鋼廠4300寬厚板粗軋機(jī)上的AGC伺服油缸缸筒失效照片。這種疲勞裂紋會最先出現(xiàn)在圓角表面,然后逐漸延展到材料內(nèi)部,最終導(dǎo)致從裂紋處漏油。因此,在設(shè)計(jì)階段對圓角處進(jìn)行受力分析及疲勞計(jì)算顯得尤為重要。

圖2缸筒疲勞裂紋

2有限元計(jì)算

此AGC伺服油缸缸徑為1580mm,活塞桿直徑為1450mm,行程80mm,缸筒外圓62150mm,缸底厚280mm,圓角為R40mm,工作壓力29MPa。缸筒材料采用合金鋼42CrMo,彈性模量210GPa,泊松比0.3。

針對圖2所示的油缸,本文提出一種新的圓角結(jié)構(gòu),去優(yōu)化缸底圓角處的應(yīng)力分布。優(yōu)化后的圓角如圖3所示,圓角由R40mm優(yōu)化為R100mm,缸底厚度由280mm優(yōu)化為325mm?；钊拷椎讉?cè)需要加工凹槽,這樣加厚的缸底可以嵌入活塞里,從而不影響行程。

為了比較準(zhǔn)確地模擬優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布,下面通過Creo軟件對缸筒進(jìn)行三維建模,并使用CreoSimulate模塊進(jìn)行應(yīng)力分析。

此結(jié)構(gòu)可視為軸對稱結(jié)構(gòu),可以用1/4模型進(jìn)行分析,并刪除不需要的孔、倒角等,然后在對稱面上設(shè)置對稱約束,將缸底與機(jī)架接合表面設(shè)為接觸,并將機(jī)架完全約束。由于要將此計(jì)算結(jié)果作為后面疲勞計(jì)算的輸入條件,而且筆者關(guān)心的區(qū)域?yàn)楦淄矆A角,所以在CreoSimulate模塊里沿圓角切出1mm的環(huán)形體積塊,用于后處理中查看相關(guān)應(yīng)力值。

圖3缸筒圓角結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖4為原油缸缸筒應(yīng)力分布圖,圖5為優(yōu)化后油缸缸筒應(yīng)力分布圖,從中可以看出,原結(jié)構(gòu)缸筒圓角處的最大米塞斯應(yīng)力約為171MPa。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,缸筒圓角處的最大米塞斯應(yīng)力約為150MPa。從有限元靜力計(jì)算結(jié)果看出,此油缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,圓角處米塞斯應(yīng)力下降了12%,因此通過圓角結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以降低缸筒的集中應(yīng)力。

圖4原油缸缸筒應(yīng)力分布

圖5優(yōu)化后油缸缸筒應(yīng)力分布

3疲勞評估

疲勞計(jì)算的方法有經(jīng)驗(yàn)公式、專業(yè)軟件分析兩種。使用經(jīng)驗(yàn)公式的方法雖然簡單,但考慮的因素相對較少,分析結(jié)果誤差較大。本文使用專業(yè)疲勞評估軟件FEMFAT對AGC伺服油缸缸筒進(jìn)行疲勞評估,它是將優(yōu)化前后兩種方案的CreoSimulate有限元靜力計(jì)算結(jié)果作為輸入,并考慮到零件表面粗糙度及尺寸、統(tǒng)計(jì)方法、工作次數(shù)等因素,計(jì)算出安全系數(shù)。

缸筒的材料為42CrMo調(diào)質(zhì)狀態(tài),試棒的尺寸為7.5mm,s-N曲線如圖6所示。

FEMFAT中輸入缸筒圓角處表面粗糙度Ra3.2,缸鍍鍛件毛坯厚度約為300mm,存活率為99.998%,循環(huán)次數(shù)為1×107次。

圖7為FEMFAT輸出的原油缸缸筒疲勞安全系數(shù)的分布圖,圓角處最小疲勞安全系數(shù)為1.987。圖8為優(yōu)化后油缸缸筒疲勞安全系數(shù)的分布圖,圓角處最小疲勞安全系數(shù)為2.575。從圖中可以看出,通過更改圓角結(jié)構(gòu),可以改善缸筒的疲勞工況,提高油缸的疲勞強(qiáng)度,進(jìn)一步延長油缸的壽命。

4結(jié)語

本文分析了大型軋機(jī)AGC伺服油缸主要失效形式,提出了缸筒圓角改進(jìn)方案,并基于Creo simu1ate軟件對兩種方案進(jìn)行有限元靜力學(xué)對比分析,缸筒圓角優(yōu)化后,有效降低了應(yīng)力。然后又基于專業(yè)疲勞分析軟件FEMFAT,在考慮零件表面粗糙度及尺寸、循環(huán)次數(shù)等因素的前提下,對兩種方案進(jìn)行了疲勞評估,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)較大程度地提高了缸筒的疲勞強(qiáng)度。因此,本文方法可以快速實(shí)現(xiàn)AGC伺服油缸缸筒疲勞評估,為AGC伺服油缸的設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù),保證了AGC伺服油缸的可靠性。