大型液压缸缸筒的新型设计研究

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Research of New Design of Large Hydraulic Cylinder CylinderPANG Yuhua .HOU Junfu(1.Changzhou Institute of Mechatronic Technology，Changzhou Jiangsu 213164 ，China；2.Bosch Rexroth Group(Changzhou)，Changzhou Jiangsu 213 161，China)Abstract：In view of hydraulic cylinders with large diameter and long stroke，the necessity of cylinder material replacement of45steel by Q345 was demonstrated according to material composition，mechanical properties and welding performance.Comparing fourkinds of standard cylinder strength check method，the diference was calculated. Using the finite element method，the detail stress，strain distributions were goten.According to the results，the optimal design way wag analyzed to meet design requirements。

Keywords：Large hydraulic cylinder；Cylinder；Material；Strength checking；Finite element method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韧强度校核。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-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-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-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-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-些行业规范(如 《DIVT 516%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 (质分数 )收稿日期：2012-03-22作者简介：庞雨花 (1982-)，女，研究生，讲师，研究方向为液压系统。E-mail：pyhua2003###163.com。

第 10期 庞雨花 等：大型液压缸缸筒的新型设计研究 ·117·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-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 blPa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 。碳钢和低合金结构钢的碳当量公式为：c当量WcWM /6(Wc WM。Wv)/5( Nj c )/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 c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 。

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 ]，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 D200 mm，外径 D，235 mm，壁厚 t17.5mm，设计压力P25 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：0D/tl1.1由于 0>I10，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pD/2t142.857(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)rD (内壁)时：D Dm P D--D2 56·363 MPa -P： -25 MParD.(外壁)时：2p 131.363 MPai 0两端闭口纵向应力： .D-22。65.681 MPa-√÷[( - ) ( - ) ( - ) 157.065 MPa(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)： ：65.68 MPa环向应力：p DI 142.86 MPa / ：- 。，123.85 MPor or or IZ.5 lVlt'a z十 - z ·(4)根据博世力士乐通用计算的校验方法纵向应力 ： 。

68 MPa有计算假设外部所6 中文-- ， T 力× - -压叩 部外ll筒旺 m为 。 为中力式压· 118· 机床与液压 第 41卷- ×丢× ×鑫×12)156.36 MPa ，- P。×南 × 1 PFi ×鑫/'i× -。× l--l- r- r ， r -1÷) MPa按照第四强度理论计算等效应力：(r) 1×/( 。-盯 ) ( - ) ( - ) ：157.06 MPa式中： D/2，r D1/2，rri，rit/100，，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 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。