基于ANSYS的液压油缸再制造技术方法可行性分析

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第 38卷 第 5期2013年 10月广西大学学报：自然科学版Journal of Guangxi University：Nat Sci EdVo1．38 No．5Oct．2013文章编号：1001_7445(2013)05—1040-07基于 ANSYS的液压油缸再制造技术方法可行性分析黄大明 ，江代祥 ，李跃朋 ，杨春兰(1．广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；2．广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007)摘要：为了探讨零件在结构上或技术上再制造的可行性，针对采用修理尺寸法在对进行再制造的零件作机械加工中要去除表面层厚度，以消除其表面缺陷及恢复其形状精度时，会在一定程度上削弱零件的强度或刚度的问题，本文选择了工程机械中的动臂油缸和转斗油缸作为研究对象 ，应用 ANSYS有限元分析软件分别对其在缸壁厚度因机械加工减少 0．5 mm和 1．0 mm后的力学性能进行分析，通过计算缸体在原设计条件下的应力场和位移场，了解缸体结构加工后的应力应变情况 ，为采用修理尺寸法进行油缸再制造和确定缸体的再制造修理尺寸及其标准化提供理论依据。计算结果显示，缸体加工后零件最大应力处的安全系数分别为1．63、1．57和 1．47、1．41，最小的数值仍然在 1．2～1．5的设计安全系数推荐值范围内，表明再制造加工后的油缸缸体能满足强度 、刚度要求，采用修理尺寸法进行油缸的再制造是可行的。

关键词：修理尺寸法；液压油缸；再制造技术；可行性分析中图分类号：TH17；TH24 文献标识码 ：ATechnical feasibility analysis for remanufacturing technologymethod in hydraulic cylinder based on ANSYSHUANG Da—ming ，JIANG Dai．xiang ，LI Yue—peng ，YANG Chun．1an(1．College of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2．Guangxi Liugong Machinery Co．，Ltd，Liuzhou 545007，China)Abstract：A study was conducted for remanufacturing feasibility of used parts at the levels of struc—ture and technology concerning the issue that the repaired part’S strength and stiffness may somehowdecline while the surface thickness of remanufacturing parts is modified during the process of machi—ning to eliminate the surface defects and to restore geometric accuracy by means of size repair meth—ods．A boom cylinder and a rotating bucket cylinder was selected as the objects for study．Their me—chanical properties were analyzed by ANSYS，while their wal thickness was cut by 0．5 mm and1．0 mm．The stress field and the displacement field of cylinder block were also calculated in origi-nal geometry condition，with an assumption that the stress and strain of cylinder block modified geo-metrical size can provide theoretical basis for defining the scale and standardization of restoring geo—metrical size．The result shows that with an original safety factor of 1．66 for a boom cylinder at max-imum stress，the safety factors are 1．63 and 1．57 when the surface cutting were 0．5 and 1．0 mm forthe repaired cylinder blocks，and the minimum safety factors are still in the range of design limita-收稿日期：2013-03-21；修订日期：2013-05—15基金项目：国家科技支撑计划项 目(2012BAF02B02)通讯联系人：黄大明(1957一)，男，湖南衡阳人，广西大学教授；E—mail：gxujtys2001###163．con。

第 5期 黄大明等：基于 ANSYS的液压油缸再制造技术方法可行性分析 1041tion of 1．2—1．5．Thus the repaired cylinder block can meet the demands of the strength and rigid—ness，suggesting that size repair method is feasible for the cylinder block remanufacturing.

key words：size repair method；hydraulic cylinder block；remanufacturing technology；feasiblity ana—lyzation0 引 言绿色环保、可持续发展、循环再利用是当今全球共同关注的焦点，再制造以其具有巨大资源潜力、显著经济效益和明显环保作用，成为在节能减排大环境下作为先进制造技术的重要部分和发展方向。近几年来，随着基础设施建设的持续发展和城镇化建设步伐的加快，各种工程机械的需求量不断增加。同时，伴随着工程机械销量、保有量的大幅增长，为推进工程机械行业的节能减排，需要可持续的生产和消费方式。工程机械大多属于大型机器设备，制造复杂、耗材巨大、价格昂贵，零部件、总成等寿命的不平衡性显著，具有巨大的再制造价值潜力，而且量多面广，是发展再制造产业的重要的产品对象?，是推进再制造产业发展的重点领域。本文选择了装载机、挖掘机等工程机械中的重要零部件液压油缸缸体作为研究对象，应用有限元分析法对油缸采用修理尺寸法进行再制造的技术可行性进行分析，为油缸的再制造提供科学依据。

液压油缸(图 1)是装载机、挖掘机等工程机械中重要的零部件，在产品中起着将液压能转换成机械能、完成各种运动和作业的作用 ，其状态优劣是保证产品性能的关键。油缸需求量大、价格昂贵，而且多数是因缸体内表面擦伤而失效 引。在油缸的总成本中缸体成本约占35％ 一55％。据统计 ，缸体内表面磨损量(划痕深度)一般在 0．5～1．0 mm内，主要分布在缸体进油孔端。据国内外文献报道 4¨ ，液压油缸缸体的修复有镶套、电镀、喷涂、胶粘等。因此对因失效而报废的液压油缸旧件，不仅图 1 装载机动臂油缸总成装配图Fig．1 Assembly drawing of loaders boom cylinder仍拥有较大的储备寿命，旧件再利用潜力大，而且还有可行的修复技术，是工程机械中极具再制造价值的零部件。

对失效可修复零件进行再制造主要有机械加工恢复和表面工程技术 两种方法。前者为通过机械加工、附加零件、局部更换、塑性变形等，获得修理尺寸或标准尺寸，与之相配合零件换新件的再制造技术方法；后者为利用堆焊、电镀、喷涂、溶敷等表面工程技术，在零件表面形成覆盖层，不仅恢复零件的原有尺寸，还赋予表面新的服役性能，使恢复后的零件性能达到甚至超过新的零件的再制造技术方法。液压油缸的再制造属于配合件中对孔的尺寸恢复或配合件配合间隙的恢复，目前两种方法均有采用。其中，以采用机械加工获得修理尺寸(即修理尺寸法)和采用电镀、喷涂等表面工程技术的恢复尺寸法为多。

所谓修理尺寸法，是指再制造时不考虑原来的设计尺寸，采用切削加工或其他加工方法恢复其形状精度、位置精度、表面粗糙度和其他技术条件，从而获得一个新尺寸称为再制造修理尺寸，而与之相配合的零件，则按再制造修理尺寸配制新件的再制造工艺方法 ¨。再制造修理尺寸法是国外再制造企业普遍采用的工艺方法。采用修理尺寸法可以利用原有的机械加工设备，不用增加新的专用设备，生产简单、经济性好。但是在确定修理尺寸时，由于需要通过切削加工去除表面层厚度，以消除零件表面缺陷及恢复其形状精度，会在一定程度上削弱零件的强度或刚度，因此需要考虑零件在结构上或技术上的再制造可行性。

1 油缸的失效模式及再制造方案液压油缸的主要失效模式是缸体内表面产生的磨粒磨损，如图2所示是装载机动臂油缸缸体内表
第 5期 黄大明等：基于ANSYS的液压油缸再制造技术方法可行性分析 10432．2 建立力学模型① 材料属性工程机 械 中 的 动臂 油 缸 和转 斗 油 缸 缸体 均 采 用 20撑钢 材 料 经 冷 拔 成 型，密 度 P为7．85x10 kg／mm ，弹性模量 为2．06x10 MPa，泊松比 为0．3，屈服极限 Or 为 245 MPa。

② 单元类型缸体属于形状不规则的结构，应力场和位移场较为复杂，单元类型选用计算精度高、曲线或曲面能够更好地逼近结构曲线和曲面边界的三维二次十节点四面体结构单元(SOLID187)建立有限元网格模型。

③ 网格划分采用自由网格的划分方法，利用 ANSYS软件提供的智能划分网格工具 MESHTOOL对缸体模型进行自由网格划分。划分结果，动臂油缸模型共生成 25 701个节点，15 748个单元；转斗油缸模型生成112 437个节点，73 556个单元。如图4所示。

ELEMENTSANSYSY N0V 3 2012(a)动臂油缸ELEM ENTSANSYSN0V 5 201209：52：28(b)转斗油缸图4 动臂油缸和转斗油缸的缸体网格划分Fie．．4 Grid generation of boom cylinder block and turning cylinder block④ 施加载荷与约束载荷施加的正确与否将直接影响到分析结果的正确性和合理性。油缸工作时的进油压力为17 MPa，设计安全系数为 1．5，计算得到油缸内压力为25．5 MPa，缸体内表面按均布力加载。模型的约束加在缸底内孔整个孑L面，全部 自由度为零。

2．3 计算结果与分析表1和表2分别为经过ANSYS软件计算得到的动臂油缸和转斗油缸在缸壁厚度减少(加工量)0．5 mm和 1．0 mm时，缸体在厚度方向上的应力分布、最大位移改变量及最大应力处安全系数等计算结果。图5一图6为经过 ANSYS软件计算得到的动臂油缸和转斗油缸缸体的等效应力云图和合位移云图。

计算结果显示，缸壁厚度减小后，缸体内壁的应力及最大变形量都有所增大。但由于缸体采用的20#钢属于韧性、塑性和焊接性都较好的优质低碳钢。根据推荐[1 。 ，静应力下塑性材料以屈服极限为极限应力，塑性材料．-ft：g缓和过大的局部应力，可取安全系数 ／Z在 1．2～1．5的范围内。因此，采用修理尺寸法再制造的油缸缸体能满足强度、刚度要求。

由计算结果可以看到，对于动臂油缸，缸壁厚度减小 1．0 mm时仍有较高的安全系数(n=1．57>1．5)，说明动力油缸珩磨加工量 1．0 mm还不是其极限尺寸，还有继续加大的可能。对于转斗油缸，缸壁厚度减小1+0 mm，尽管安全系数(n=1．41)低于1．5，但仍在推荐值(1．2

1046 广西大学学报：自然科学版 第38卷别对工程机械中的动臂油缸和转斗油缸缸体进行静力学分析。

④ 计算结果表明，加工量分别为0．5 mm和1．0 mm时，动臂油缸和转斗油缸缸体再制造件壁厚方向的应力分布分别为99．9～150．0 MPa、104．0～156．0 MPa和 111．0—167．0 MPa、116．0—174．0 MPa；最大位移改变量分别为0．188 mm，0．210 mm和0．194 mm，0．203 mm。由此得到再制造件最大应力处的安全系数分别为1．63、1．57和1．47、1．41，仍然在1．2—1．5的设计安全系数推荐值 范围内。

⑤ 计算结果显示，对油缸缸体进行机械加工(珩磨)后，缸壁厚度方向的应力和最大位移量的变化不影响零件的安全，零件仍具有较高的安全系数，表明采用修理尺寸法进行油缸的再制造是可行的。由计算结果还可以看出，即使动臂油缸和转斗油缸机械加工量一样，但应力与安全系数的变化不一样，因此修理尺寸必须根据具体对象视不同结构及受力情况而定。

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(责任编辑 梁 健)