軋機AGC伺服液壓（yā）缸結構優化探討
2018-4-2 來（lái）源：武漢科技大學 作者：朱兵（bīng），傅連東，黃科夫，湛從（cóng）昌（chāng），高雨
摘（zhāi）要：針（zhēn）對我國某一鋼廠（chǎng）的軋機（jī）AGC伺服液壓缸出現的故障進行了分析（xī），對出現伺服液壓缸缸體底部裂損進行了（le）詳細的研（yán）究，並（bìng）且用ANSYS對其進行了有（yǒu）限元分析，突破了常用（yòng）的增（zēng）大伺服液壓缸底部圓弧半徑等思維（wéi），提出了一種新（xīn）的改進方案，即（jí）將缸體底部的（de）圓弧變為（wéi）倒角，適"-3調（diào）整倒（dǎo）角的尺寸，使得工作狀態變得更加安（ān）全和可靠，分析了各個參數對最大應力的影（yǐng）響狀況，並選擇了最佳參數，使AGC液壓缸處於較好的工作狀況（kuàng）結構，優化後的（de）結構（gòu）應力明顯減小，滿足工作要求。
關鍵詞：AGC伺服液壓缸（gāng）；有限元分析；最佳參數；結構優化（huà）
引言
隨著機（jī）械自（zì）動化的快速發展，我國機械方（fāng）向所需軋製板材精度的要求（qiú）越來（lái）越高，提高軋機係統的（de）性能是前提保障。軋機AGC伺服液壓缸是（shì）軋（zhá）機（jī）AGC伺（sì）服液壓係統中的關鍵部件，它的性能直接影響了軋機AGC伺服係（xì）統的加工的鋼材的質量（liàng）。根據統計表明（míng）軋機AGC伺服液壓缸缸底在油口部位最容（róng）易發生（shēng）裂損。傳統的加厚液壓缸缸（gāng）體缸筒、液壓缸缸體底部和液壓缸缸體（tǐ）底（dǐ）部倒圓角僅減小部分集（jí）中應力並沒有從根本上解決液壓缸缸體油口處的斷裂的問題。例如，某鋼廠使用的軋機AGC伺服液壓缸缸體底部油口處發生斷裂後，適當加厚液壓缸缸（gāng）體缸筒厚度和調整圓角後，在使用中仍會發生液壓缸缸體底部油口（kǒu）處斷（duàn）裂（liè）。
針對上述現象本研究對軋機AGC液壓缸缸體底（dǐ）部的油口部（bù）位進行倒直（zhí）角並進行了ANSYS有限（xiàn）元分（fèn）析優化，靜態分析結果發現適當的調整倒角的高度和角（jiǎo）度可以盡（jìn）可能的減小油口（kǒu）處的集中應力，為改進軋機AGC伺（sì）服液壓缸結構奠定了基礎。
1、 AGC液（yè）壓缸的工作原理
在大型鋼廠中，軋製高精度的鋼材需要由（yóu）高精度的軋機AGC伺服液壓係統對加工板材的動態特性和靜態特性進行處理和監控。在軋機（jī）AGC伺服液壓係統中主要工作元件（jiàn）是軋（zhá）機AGC伺服液壓缸，該缸由活（huó）塞（sāi）、活塞（sāi）杆、端蓋、缸體、位移傳感、密封圈和防塵圈等組成（chéng）。圖1為（wéi）軋機AGC伺（sì）服液壓（yā）缸結構（gòu）示意圖。當軋機AGC伺服（fú）液壓（yā）係（xì）統對軋製厚度的控製時，為防止（zhǐ）活塞（sāi）的快速運動而撞擊缸體，液壓缸端蓋設有緩衝結（jié）構。
圖1 軋機AGC伺候液壓缸出（chū）現的（de）故障分析
2、 軋機AGC伺服液（yè）壓缸出現的（de）故障分析
某鋼廠軋機AGC伺（sì）服液（yè）壓缸如圖1所示。該（gāi）液壓缸（gāng）結構為活塞（sāi）式，液壓缸活塞直徑（jìng）為西=1450 mm，液壓缸缸底外直徑D=1850 mm，液壓缸缸底厚度s=215 mm，液（yè）壓缸缸底與液壓缸缸筒之間（jiān）圓弧半徑R=15 mm，設計工作壓力23 MPa，測試壓力30 MPa，設計壽命4年，液壓（yā）缸缸底由900 mm寬的平（píng）麵支撐。該液壓缸在使用過程中，沿缸底與缸筒交界處上，以及在（zài）進（jìn）出油口附（fù）近區域m現了大段裂紋．如圖2所示
圖2軋機AGC伺服液壓缸缸底的無杆腔油口的裂（liè）損
針對這一現象對出原始方案（àn）進行了有ANSYS限（xiàn）元分（fèn）析如圖3，並分析了故障原（yuán）因：當軋機工作時，軋機AGC伺服液壓缸在控製厚度的過程中起主要執行作用。當軋機AGC伺（sì）服液壓缸正常工作時，工作中（zhōng）產生的最大應力超（chāo）過了缸體使用材料的疲（pí）勞強度；當工作中出現咬鋼時，係統軋製力瞬間增（zēng）加，使得軋機（jī）AGC伺服液壓缸裏麵的油（yóu）液壓力瞬間升高，對液壓缸缸底進行強烈的衝擊；當工作中出（chū）現拋鋼時，係統軋製力瞬間減小，軋機AGC伺服液壓缸裏（lǐ）麵的油液壓力瞬間下（xià）降，油口的壓力（lì）瞬間減小，也會對液壓缸缸底帶來很大的衝擊。在這樣無數往複次的工（gōng）作循環下，油壓不斷的對（duì）液壓缸缸底進行衝擊，油液的壓力頻繁衝擊液壓缸缸底油口處和缸底的連（lián）接處，在長時間的衝擊將油口處的缸底部位直接損壞。
圖3 最原始方案的等效應力圖
在23 MPa工作壓力下，由有限元分析結果圖3可知油口最大應力為317．16 MPa，已超過該材（cái）料疲勞極限285．78 MPa。軋機AGC伺服液壓（yā）缸是通（tōng）過精（jīng）加工而成（chéng），缸底與缸筒交界處及油口附近的應力集中及工作過（guò）程中頻繁的衝擊導致了此處出現（xiàn）大段（duàn）裂紋。為了解決這（zhè）種（zhǒng）故（gù）障，設計者提（tí）出了一種改進方案（àn）：軋機AGC伺服液壓缸缸體壁厚加50 mm、缸底厚度加50 mm。
此次改進是設計者根據經驗（yàn）得出的，但是（shì）沒能解決問題。設計者又將底部圓弧半徑改為20 mm，雖（suī）然減（jiǎn）小了部分集中（zhōng）應（yīng）力，但是沒有將軋機AGC伺服液壓缸改進到最佳狀態。為了（le）減小油口處的集中（zhōng）應力，本研究作者認（rèn）為不一定需要（yào）把底部（bù）過度部分改為（wéi）圓弧，可以改為倒角形式，調整一定的倒（dǎo）角（jiǎo）高度和（hé）角度，可以使底部油口處的集中應力更進一步的減（jiǎn）小，並且可以適當的減少液壓缸（gāng）的壁厚和缸底的厚（hòu）度，從（cóng）而節約成本和延長（zhǎng）液壓（yā）缸的使用壽命（mìng）。
3、AGC伺服液壓缸缸體的優（yōu）化（huà）。
將軋機AGC伺服液壓缸采用的材料是42 CrMo。從文獻得42CrMo的屈（qū）服極限為939 MPa，抗拉強度1080 MPa，密度為7850 kg／m3，體（tǐ）積模量為175 GPa，剪切模量為80．769 GPa，尺寸因子為0．567，經計（jì）算得出該材料的疲勞極（jí）限為285．78 MPa。在20℃時其（qí）彈性模量為210 GPa，泊（bó）鬆比為0．3。在ANsYs／wORKBENCH中（zhōng），對第一次的改進在23MPa的工作壓力下進行了分析得到等效應力如圖4，由結果可知軋機AGC伺服液壓缸油口處的最大應力為258．13 MPa。
圖4 第一次優化的等效應力圖
在ANSYs／WORKBENCH中對該設計的最終改（gǎi）進方案：將軋機AGC伺服液壓缸的缸筒增加50 mm、缸底（dǐ）的厚度增加50 mm和將（jiāng）缸底的圓（yuán）弧部位改（gǎi）為（wéi）20mm，對軋機AGC伺服液壓（yā）缸的改進結構在液壓壓力為23 MPa下，工作（zuò）分析得到（dào）等效應力分（fèn）布如圖5，由結果可知軋機AGC伺服液（yè）壓缸油口處的最（zuì）大應力為183．2 MPa。
圖5 設計（jì）者改進最終方案的等效（xiào）應力
在ANSYS／WORKBENCH中對於軋機AGC伺服液壓缸缸體底部倒圓角的模型進行優（yōu）化，設置軋機AGC伺服液壓缸的3個參數：
(1)液壓缸缸筒加厚範圍25 mm到150 mm；
(2)底部厚度增加20 mm到（dào）60 ITlln；
(3)圓弧半徑10 mm到30 mm。
以下分（fèn）別為液（yè）壓缸缸體缸筒加厚大小、液壓缸（gāng）缸體底部增加的厚度、液壓缸缸體底部圓弧半（bàn）徑（jìng）對油口（kǒu）處最大（dà）集中應（yīng）力的（de）影響，分別如圖6一圖8所示。
圖6 紅筒加厚d對油口（kǒu）最大集（jí）中應力的影響
圖（tú）7 底部（bù）增（zēng）加厚度L對油口集中應力的影響
圖8 圓弧半徑r對油口最（zuì）大集中應力口的影響
經（jīng）過分析和篩選（xuǎn）得出了以下（xià）優解（jiě）如表1。
在ANsYS／wORKBENCH中對該軋機AGC伺服液壓（yā）缸（gāng）的結構尺寸進行（háng）了（le）優化，設置AGC液（yè）壓缸的4個（gè）參數：
(1)液壓缸缸體缸筒加厚範圍25 mm到150 mm；
(2)液壓（yā）缸缸體底部厚度增加20 mm到60 mm；
(3)液壓缸缸（gāng）體底部（bù）倒角的高（gāo）度15 inln到25 mm；
(4)液壓缸缸（gāng）體底部倒角的度（dù）數30。到（dào）60。
以下分別為液壓缸缸體缸筒加厚大小、液壓缸缸體底部（bù）增加的厚度、液壓缸缸體底部倒角的高度（dù）、液壓缸缸體底部倒角的度（dù）數對油口處最大集中應力的影響，分別如圖9～圖12所（suǒ）示。
圖9 缸筒加厚d對油口（kǒu）最大集（jí）中應力的（de）影響
圖10 底部（bù）增加厚度l對（duì）有口（kǒu）最大集（jí）中力的影響
圖11 傾（qīng）角高度（dù）h對油口最（zuì）大集中應力的影響
圖12 角度數d對油口最大集中應力的影響
根據以上數據所得最優（yōu）解，故將軋機AGC伺服液壓缸缸體尺寸圓整後取值：液壓缸外徑1950 mm，底部加厚50 mm，倒角（jiǎo）高度25 mm，倒角高（gāo）度35 o，將此優解ANSYS／w0RKBENCH軟件中在工作壓力為23 MPa下進行分（fèn）析，得到等效應力（lì）為，如圖13，由結果可知軋機AGC伺服液壓缸油口處的最大應力（lì）為132．03 MPa．
圖13 分析和（hé）篩選（xuǎn）的（de）最佳尺寸有限元分析
將（jiāng）上述設計師改進的（de）結果進行（háng）對比，如表3所示。
本次最佳優化結果（guǒ），如表4所示。
通過（guò）此次優化的結果和設計師的改進對比（bǐ）可以看出：此次優化並木（mù）有增加材（cái）料而增加成本，僅僅隻是突破了傳統的倒圓弧的方式，將圓弧的方式改（gǎi）為倒角的方式，並（bìng）適當的調整倒角的倒角高度（dù）和倒（dǎo）角角度，大大的降（jiàng）低了（le）油口處的集中應力，從而可以大大的了提（tí）升（shēng）液壓缸的使用壽命。
此次優化的結果和液（yè）壓缸缸體底部為圓弧的優（yōu）化結果（guǒ）對（duì）比：液壓缸缸體底部倒（dǎo）角為圓弧的優化，液（yè）壓缸缸體缸筒加厚133．15 mm，液壓缸缸體（tǐ）底部加厚55．426 mm，液壓缸缸（gāng）體圓弧倒角（jiǎo）為21．8030時，液壓缸缸體的最大（dà）應力值達到（dào）了148．9803 MPa，而（ér）此次（cì）優化方案，隻（zhī）需將液壓缸缸體缸筒加厚50 mm，液（yè）壓缸缸體底部加厚50mm，液壓缸缸（gāng）體倒角高度25 mm，液壓（yā）缸缸體倒角角（jiǎo）度35。，即可將最大應力降低!91]132．03 MPa，不僅節約（yuē）了（le）材料，而且還降低了液壓缸（gāng）缸體的最大應力。
4、結論
以某鋼（gāng）廠使用（yòng）的軋機AGC伺服液壓缸為研究對象，綜合分析了液壓缸（gāng）缸壁厚度、液壓缸缸體（tǐ）底部厚度、液壓缸缸體底部倒（dǎo）角高度和液壓缸缸體底部倒角角度對液（yè）壓缸缸（gāng）體（tǐ）集中應力的影響。並通過選擇合理的參數確定了液壓缸最終（zhōng）優化方案。為了檢驗優化後液壓缸（gāng）工作狀況（kuàng），對（duì）改進後的（de）液壓缸進行23 MPa液壓（yā）油工作的仿真計算，並與（yǔ）前麵的優（yōu）化方案進行了對比，結果證明改進（jìn）後的軋機AGC伺服液（yè）壓（yā）缸的工作性能得到了明顯的改善，改進後的液壓缸缸體油口出的（de）集中應力的問題大大消除，達到了優（yōu）化的目的。
投稿箱：
如果您有機床行業（yè）、企業相關新聞稿件發表（biǎo），或進行（háng）資訊合作，歡迎聯係本網編輯部（bù）， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業（yè）、企業相關新聞稿件發表（biǎo），或進行（háng）資訊合作，歡迎聯係本網編輯部（bù）， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
業界視點
| 更多
行業數據
| 更（gèng）多
- 2024年11月 金屬切削機床產（chǎn）量（liàng）數據
- 2024年11月 分地區金屬切削機床產量數據
- 2024年11月 軸承出（chū）口情況
- 2024年11月 基本型乘用車（轎車）產量（liàng）數據
- 2024年11月 新能源汽車產量數據
- 2024年（nián）11月 新能源汽車銷量情況
- 2024年10月 新能源汽車產量數（shù）據
- 2024年10月（yuè） 軸承（chéng）出（chū）口情況
- 2024年10月 分地區（qū）金屬切削機床產量數（shù）據（jù）
- 2024年10月 金屬切削機床產量數據
- 2024年9月 新能源汽車銷量（liàng）情況
- 2024年8月 新能源汽車產量數據（jù）
- 2028年（nián）8月 基（jī）本型乘用車（轎車）產量（liàng）數據
博文選（xuǎn）萃
| 更多