基于有限元的行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷裂力學(xué)性能測(cè)試

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳陜煤聯(lián)合基金重大專項(xiàng)（批準(zhǔn)號(hào)：2021JLM?28）資助的課題。

作者簡介：焦陽（1964-），高級(jí)工程師，從事煤礦機(jī)電技術(shù)和設(shè)備管理工作。

通訊作者：師玉璞（1980-），工程師，從事計(jì)算模擬與器件仿真的研究，shiyupu@xust.edu.cn。

引用本文：焦陽，張偉，范永強(qiáng)，等.基于有限元的行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷裂力學(xué)性能測(cè)試[J].化工機(jī)械，2024，51（2）：237-241;280.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402011

摘 要 設(shè)計(jì)基于有限元的行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷裂力學(xué)性能測(cè)試方法。以行程可調(diào)液壓油缸斷裂的活塞桿為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件構(gòu)建液壓油缸活塞桿有限元模型。從宏觀形貌、拉伸性能、硬度及粗糙度等方面，測(cè)試了行程可調(diào)液壓油缸活塞桿的斷裂力學(xué)性能。結(jié)果表明：經(jīng)過拉伸和硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，試件的彈塑性較差;粗糙度變大是導(dǎo)致行程可調(diào)液壓油缸活塞桿發(fā)生斷裂的主要原因;斷裂試件的縱向殘余應(yīng)力變化較大，斷裂后為504 MPa。

關(guān)鍵詞 活塞桿 行程可調(diào)液壓油缸 斷裂力學(xué)性能 有限元分析

中圖分類號(hào) TQ051.21" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2024）02?0237?06

液壓油缸是一種將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的液壓部件，可以進(jìn)行直線往復(fù)和搖擺運(yùn)動(dòng)。由于裝置的要求，經(jīng)常要調(diào)節(jié)液壓油缸的行程，而目前市場(chǎng)上已有的行程可調(diào)液壓油缸，多數(shù)都是與電力配合進(jìn)行行程控制，由于在安裝和應(yīng)用上存在一定的局限性[1]，導(dǎo)致其無法被廣泛應(yīng)用。液壓油缸在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生活塞桿折斷等故障。目前，機(jī)械零件的故障診斷與研究逐漸向著新型化、全面化的方向發(fā)展，已成為國內(nèi)外一門活躍的學(xué)科[2]。其中，斷裂力學(xué)性能測(cè)試分析要求運(yùn)用現(xiàn)代的檢驗(yàn)技術(shù)，從宏觀到微觀、從質(zhì)到量、從單一到全面的系統(tǒng)性分析，通過鑒定零部件在工作中可能出現(xiàn)的變形、斷裂、磨損及腐蝕等缺陷[3]，從而提前預(yù)防意外的發(fā)生，這在壓力容器、管道設(shè)備、電子、汽車零部件及交通運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械設(shè)備上具有很大的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益。

活塞桿在行程可調(diào)液壓油缸中作為一種主要的傳動(dòng)部件，其工作狀態(tài)和工作性能將會(huì)對(duì)液壓油缸的工作效率、安全性和可靠性有很大的影響[4]。在使用過程中，由于活塞桿受到的力較為復(fù)雜，其作用方式一般為液壓油缸的摩擦力、油液擠壓力、載荷對(duì)其張力以及使用期間緊急情況所造成的慣性力等，在工作環(huán)境較為苛刻的情況下，極易出現(xiàn)裂紋。因此，要求液壓油缸活塞桿必須在韌性、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度及抗疲勞強(qiáng)度等方面表現(xiàn)出很好的力學(xué)性能[5]。另外，由于受到慣性的作用，還要求液壓油缸結(jié)構(gòu)必須輕巧[6]。

基于此，筆者采用有限元分析方法，通過分析宏觀形貌、拉伸性能、硬度及粗糙度等，測(cè)試行程可調(diào)液壓油缸活塞桿的斷裂力學(xué)性能，從而指導(dǎo)其設(shè)計(jì)使用，延長液壓油缸活塞桿的使用壽命。

1 基于有限元的載荷施加與材料取樣

為了對(duì)行程可調(diào)液壓油缸活塞桿進(jìn)行斷裂力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中選擇某一型號(hào)行程可調(diào)液壓油缸斷裂的活塞桿進(jìn)行分析，并追蹤標(biāo)記出結(jié)構(gòu)零件[7]。筆者選擇行程可調(diào)液壓油缸，油缸中活塞桿的使用周期通常為20個(gè)月。

采用有限元分析軟件對(duì)行程可調(diào)液壓油缸活塞桿進(jìn)行有限元分析[8]。根據(jù)活塞桿加工圖紙對(duì)材料的要求，選擇17?4pH作為活塞桿的加工制造材料，并在數(shù)模文件c?part中定義材料屬性如下：

彈性模量 202 GPa

泊松比 0.29

密度 7 980 kg/m3

熱膨脹值 1.15×10-55 ℃-1

屈服強(qiáng)度 9.28 MPa

打開有限元分析軟件，導(dǎo)入活塞桿數(shù)模文件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。行程可調(diào)液壓油缸活塞桿的有限元分析中，按照斷裂之后活塞桿的受力情況添加約束并施加載荷。當(dāng)活塞桿處于最大壓縮和拉伸狀態(tài)時(shí)，將活塞桿承受的載荷設(shè)定為載荷條件。有限元分析中忽略摩擦力對(duì)活塞桿的影響[9]，當(dāng)

活塞桿曲柄轉(zhuǎn)角為300°時(shí)，活塞桿受到的最大壓縮載荷為61.874 kN，當(dāng)活塞桿曲柄轉(zhuǎn)角為100°時(shí)，活塞桿受到的最大拉伸載荷為49.890 kN，在上述兩種條件下為活塞桿添加約束[10]，固定活塞桿與十字頭連接的一側(cè)，分別在連接處施加活塞桿承受的最大拉伸載荷和最大壓縮載荷，向內(nèi)的載荷為61.874 kN，向外的載荷為49.890 kN[11]。

施加載荷后，行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷裂的有限元模型如圖1所示。

測(cè)試過程中，根據(jù)上述施加的載荷進(jìn)行取樣分析，選取試樣時(shí)，將活塞桿左側(cè)斷口標(biāo)記為A1，將右側(cè)斷口標(biāo)記為A2。對(duì)于左側(cè)斷口A1而言，斷裂試樣厚度為15 mm，在樣本區(qū)域開展硬度檢測(cè)、拉伸性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn)[12，13]，并記錄每一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于右側(cè)斷口A2而言，主要測(cè)量斷口的結(jié)構(gòu)尺寸、宏觀形貌和粗糙度。

2 斷裂力學(xué)性能表征

行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷裂力學(xué)性能測(cè)試內(nèi)容包括以下6個(gè)方面：

a. 宏觀形貌。宏觀形貌的觀測(cè)內(nèi)容主要為斷裂位置、裂紋形態(tài)及裂紋區(qū)域等。

b. 微觀形貌。微觀形貌的觀察主要通過掃描電子顯微鏡完成，掃描電子顯微鏡在低倍放大方面具有一定優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)活塞桿斷口進(jìn)行有效觀測(cè)。

c. 拉伸性能。利用有限元拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷裂試樣的拉伸性能，采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)作為拉伸測(cè)試的儀器配合有限元模型，該實(shí)驗(yàn)儀器的最大實(shí)驗(yàn)力為150 kN。

d. 硬度測(cè)試。采用硬度儀測(cè)量活塞桿試件的硬度[14，15]，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

e. 粗糙度測(cè)試。活塞桿表面粗糙度會(huì)影響其使用壽命，活塞桿表面的粗糙度越大，疲勞損傷程度越嚴(yán)重，利用粗糙度檢測(cè)儀測(cè)試活塞桿表面的粗糙度。

f. 殘余應(yīng)力。采用30%NaOH溶液陽極電解方法去除活塞桿表面鍍層，對(duì)斷裂后的試件與完整試件進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測(cè)試。

3 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果分析

3.1 宏觀形貌

經(jīng)過上述取樣操作，得到行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷裂位置如圖2所示。

行程可調(diào)液壓油缸活塞桿的兩個(gè)斷面具有互相匹配的特征，活塞桿左側(cè)斷口A1和右側(cè)斷口A2的形貌如圖3所示。由圖3可知，對(duì)于活塞桿左側(cè)斷口A1而言，將其劃分為3個(gè)區(qū)域，其中Ⅱ區(qū)斷口的斷裂面積最大，并且還分布著很多凸起部分。Ⅰ區(qū)斷口的平面相對(duì)比較平整，占整個(gè)

活塞桿斷口的面積也是最小的;根據(jù)斷口形態(tài)發(fā)現(xiàn)，Ⅰ區(qū)為活塞桿斷裂的裂紋源區(qū)，Ⅱ區(qū)為擴(kuò)展區(qū)，Ⅲ區(qū)為斷裂區(qū)，液壓油缸活塞桿發(fā)生斷裂的開始區(qū)域?yàn)棰駞^(qū)，經(jīng)過裂紋擴(kuò)展之后，延伸到Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，在斷口邊緣處并未出現(xiàn)明顯的塑性變形。對(duì)于活塞桿右側(cè)斷口A2而言，Ⅳ區(qū)為裂紋源區(qū)，Ⅴ區(qū)為擴(kuò)展區(qū)，Ⅵ區(qū)為斷裂區(qū)，其中Ⅵ區(qū)是液壓油缸活塞桿發(fā)生斷裂的初始區(qū)域，經(jīng)過Ⅴ區(qū)擴(kuò)展，最后在Ⅵ區(qū)發(fā)生徹底斷裂。

3.2 微觀形貌

將圖2a所示的活塞桿斷口放入掃描電子顯微鏡中進(jìn)行觀察，活塞桿斷裂的微觀形貌如圖4

所示。可以看出，在兩種放大倍數(shù)下，活塞桿斷口處清晰，并且未出現(xiàn)明顯的腐蝕物，斷口處僅存在部分二次裂紋，是一種準(zhǔn)解理、韌窩的混合斷口。

3.3 拉伸測(cè)試

實(shí)驗(yàn)過程中，分別對(duì)斷裂后兩個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試，編號(hào)分別為Q1、Q2，在室溫環(huán)境下，得到拉伸測(cè)試結(jié)果見表1。可以看出，活塞桿斷裂試樣的平均抗拉強(qiáng)度為1 277.415 MPa，稍大于標(biāo)準(zhǔn)值

1 080 MPa，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值為0.810 4，試件的延伸率均值為7.46%，與標(biāo)準(zhǔn)延伸率8%相比偏低。

3.4 硬度測(cè)試

硬度測(cè)試中，首先沿著徑向方向每隔3 mm獲取一次試樣的硬度數(shù)據(jù)，再沿著距離邊緣

0.3 mm處的環(huán)向，每隔3 mm獲取一次試樣的硬度數(shù)據(jù)，得到行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷裂試樣的硬度測(cè)試結(jié)果見表2。可以看出，活塞桿斷裂后硬度并未出現(xiàn)較為明顯的變化，雖然存在一定的差距，但是差距較小，徑向硬度與環(huán)向硬度的均值分別為38.57HV與36.01HV。

3.5 粗糙度檢驗(yàn)

由于行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷口為互補(bǔ)的形態(tài)，因此任意一個(gè)斷口均可以滿足粗糙度檢測(cè)的要求，在此次檢驗(yàn)中選擇左側(cè)斷口A1作為研究對(duì)象。將行程可調(diào)液壓油缸活塞桿左側(cè)斷口A1劃分為4個(gè)區(qū)域，選擇1號(hào)區(qū)域和3號(hào)區(qū)域進(jìn)行粗糙度檢驗(yàn)，其中1號(hào)區(qū)域存在油污痕跡，3號(hào)區(qū)域不存在油污痕跡，行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷口試樣如圖5所示。

在1號(hào)區(qū)域中選擇6個(gè)測(cè)試點(diǎn)，3號(hào)區(qū)域中選擇4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)分布情況如圖6所示。

1號(hào)區(qū)域與3號(hào)區(qū)域斷口粗糙度測(cè)試結(jié)果分別列于表3、4。可以看出，1號(hào)區(qū)域的平均粗糙度為2.10 μm，3號(hào)區(qū)域的平均粗糙度為2.04 μm，可見，存在油污痕跡的試件粗糙度大于不存在油污痕跡的，試件表面粗糙度對(duì)承受載荷的活塞桿具有很大影響，粗糙度的存在會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷裂。

3.6 殘余應(yīng)力測(cè)試

斷裂試件與完好試件的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見表5。可以看出，斷裂試件的殘余應(yīng)力均大于完好試件，尤其是縱向殘余應(yīng)力變化十分明顯，考慮是由于斷裂后殘余應(yīng)力得到了釋放所致。

4 結(jié)束語

筆者提出了基于有限元的行程可調(diào)液壓油缸活塞桿斷裂力學(xué)性能測(cè)試方法，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，液壓油缸活塞桿斷裂后硬度變化不大，但是延伸率較低，同時(shí)發(fā)現(xiàn)活塞桿表面粗糙度越大，越容易出現(xiàn)斷裂，并且活塞桿斷裂后殘余應(yīng)力增加，考慮是由于斷裂后殘余應(yīng)力得到了一定程度的釋放。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以將有限元分析與疲勞預(yù)測(cè)相結(jié)合，分析活塞桿的疲勞問題，從而延長行程可調(diào)液壓油缸活塞桿的使用壽命。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-02-21，修回日期：2024-03-15）

Fracture Mechanical Property Test of Piston Rod of Hydraulic

Cylinder with Adjustable Stroke Based on Finite Element Method

JIAO Yang1， ZHANG Wei1， FAN Yong?qiang1， WANG Li?jun1， SHI Yu?pu2

（1. SCCIG Shennan Industry Development Co.， Ltd.;2. School of Materials Science and Engineering，

Xi’an University of Science and Technology）

Abstract" "In this paper， a FEM?based method was designed for testing fracture mechanical properties of the hydraulic cylinder’s piston rod with adjustable stroke. As for this broken piston rod with adjustable stroke， the FEM analysis software was adopted to construct its finite element model and its fracture mechanical properties were tested from the aspects of macroscopic morphology， tensile property， hardness and