大型軋機(jī)AGC伺服油缸結(jié)構(gòu)疲勞研究

徐光月 馬秀坤 何亞峰

摘 要：分析了大型軋機(jī)AGC伺服油缸的主要失效形式，其中最嚴(yán)重的失效形式為缸筒疲勞破壞。針對AGC伺服油缸缸筒結(jié)構(gòu)，使用Creo軟件三維建模，并基于有限元計(jì)算模塊Creo Simulate對其應(yīng)力分布進(jìn)行有限元分析，然后基于疲勞分析軟件FEMFAT對缸筒的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估。該計(jì)算方法模擬AGC伺服油缸工作的動態(tài)疲勞工況，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，使整個(gè)設(shè)備更加安全可靠，保證了軋鋼生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：AGC;油缸;疲勞;有限元;FEMFAT

0 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[1]。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(gè)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[2]。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(shí)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[3]，采用有限元方法，計(jì)算出危險(xiǎn)區(qū)域關(guān)鍵點(diǎn)和相鄰點(diǎn)3個(gè)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)。

1 AGC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(shí)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)20 Hz，工作壓力達(dá)35 MPa。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。

2 有限元計(jì)算

此AGC伺服油缸缸徑為1 580 mm，活塞桿直徑為1 450 mm，行程80 mm，缸筒外圓？準(zhǔn)2 150 mm，缸底厚280 mm，圓角為R40 mm，工作壓力29 MPa。缸筒材料采用合金鋼42CrMo，彈性模量210 GPa，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R40 mm優(yōu)化為R100 mm，缸底厚度由280 mm優(yōu)化為325 mm。活塞靠近缸底側(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Creo Simulate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Creo Simulate模塊里沿圓角切出1 mm的環(huán)形體積塊，用于后處理中查看相關(guān)應(yīng)力值。

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171 MPa。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，缸筒圓角處的最大米塞斯應(yīng)力約為150 MPa。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。

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Creo Simulate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7.5 mm，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300 mm，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 Simulate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。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 龔云.大型軋機(jī)AGC伺服液壓缸裂紋故障建模與壽命的研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2015.

[2] 涂晨，劉曉濱，龔云.軋機(jī)AGC伺服液壓缸缸底疲勞損壞分析與改善[J].機(jī)床與液壓，2017，45（14）：158-161.

[3] 張洪濤.Pro/Engineer野火版4.0/5.0機(jī)械結(jié)構(gòu)分析實(shí)戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

收稿日期：2021-04-20

作者簡介：徐光月（1982—），男，江蘇灌云人，碩士，機(jī)械工程師，研究方向：中大型液壓缸及閥組設(shè)計(jì)。

馬秀坤（1978—），女，江蘇睢寧人，機(jī)械工程師，研究方向：中大型液壓缸及閥組設(shè)計(jì)。

何亞峰（1975—），男，陜西寶雞人，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與特種加工。