大型轧机AGC伺服油缸结构疲劳研究

引言

轧机AGC(Automatic Gauge Control）伺服液压缸是将液压能转变为机械能的液压执行元件,也是针对轧制力变化实施厚度调节的一种快速精确定位装置。一条连轧线有多组AGC伺服液压缸,连续工作使板带达到需要的厚度及公差。AGC伺服油缸工况恶劣,一直处于高温、水汽、灰尘、冲击、持续动载环境之中,而缸筒疲劳开裂是油缸最严重的失效形式,将直接导致生产中断甚至造成安全隐患。

目前AGC伺服油缸设计制造大部分虽已国产化,但主要停留在模仿阶段。目前设计计算大部分靠经验,国内也有个别厂家对缸筒的疲劳失效进行了研究,如韶关液压件厂有限公司的涂晨于2017年7月提出一种方法,先使用有限元软件ANSYS计算出静态最大应力值,然后基于米塞斯应力,用材料疲劳强度的经验公式进行评估。但这种方法在三维设计优化后,需要重新导入有限元进行计算,在两种软件之间切换,工作效率会降低:并且在疲劳评估时只简单地使用了疲劳强度的经验公式,并没有考虑到零件的表面粗造度、应力梯度、尺寸、循环周期等因素的影响。本文提出一种新方法,先在Creo里对AGC伺服油缸缸筒进行三维建模,并基于Creo Simulate模块,采用有限元方法,计算出危险区域关键点和相邻点3个方向的最大主应力,然后基于专业疲劳分析软件FEMFAT进行疲劳评估。这种方法可以高效快速地对AGC伺服油缸缸筒进行计算,为AGC伺服油缸的设计提供了可靠的理论依据。

1AGC伺服油缸的工况介绍及失效模式

为了在轧制过程中实时保证钢板的厚度和精度,AGC伺服油缸工作频率高、压力大,有些冷轧AGC伺服油缸的工作频率甚至达20Hz,工作压力达35MPa。油缸长期处于高低压交变的载荷下,工况相当恶劣。图1为AGC伺服油缸的受力工况。

AGC伺服油缸的失效模式主要有杆封损坏、活塞杆镀层磨损、活塞封损坏、缸筒开裂,其中以缸筒开裂后果最为严重,开裂部位主要在缸筒与缸底接合的圆角处。图2所示为国内某钢厂4300宽厚板粗轧机上的AGC伺服油缸缸筒失效照片。这种疲劳裂纹会最先出现在圆角表面,然后逐渐延展到材料内部,最终导致从裂纹处漏油。因此,在设计阶段对圆角处进行受力分析及疲劳计算显得尤为重要。

图2缸筒疲劳裂纹

2有限元计算

此AGC伺服油缸缸径为1580mm,活塞杆直径为1450mm,行程80mm,缸筒外圆62150mm,缸底厚280mm,圆角为R40mm,工作压力29MPa。缸筒材料采用合金钢42CrMo,弹性模量210GPa,泊松比0.3。

针对图2所示的油缸,本文提出一种新的圆角结构,去优化缸底圆角处的应力分布。优化后的圆角如图3所示,圆角由R40mm优化为R100mm,缸底厚度由280mm优化为325mm。活塞靠近缸底侧需要加工凹槽,这样加厚的缸底可以嵌入活塞里,从而不影响行程。

为了比较准确地模拟优化后结构的应力分布,下面通过Creo软件对缸筒进行三维建模,并使用CreoSimulate模块进行应力分析。

此结构可视为轴对称结构,可以用1/4模型进行分析,并删除不需要的孔、倒角等,然后在对称面上设置对称约束,将缸底与机架接合表面设为接触,并将机架完全约束。由于要将此计算结果作为后面疲劳计算的输入条件,而且笔者关心的区域为缸筒圆角,所以在CreoSimulate模块里沿圆角切出1mm的环形体积块,用于后处理中查看相关应力值。

图3缸筒圆角结构优化

图4为原油缸缸筒应力分布图,图5为优化后油缸缸筒应力分布图,从中可以看出,原结构缸筒圆角处的最大米塞斯应力约为171MPa。结构优化后,缸筒圆角处的最大米塞斯应力约为150MPa。从有限元静力计算结果看出,此油缸结构优化后,圆角处米塞斯应力下降了12%,因此通过圆角结构优化可以降低缸筒的集中应力。

图4原油缸缸筒应力分布

图5优化后油缸缸筒应力分布

3疲劳评估

疲劳计算的方法有经验公式、专业软件分析两种。使用经验公式的方法虽然简单,但考虑的因素相对较少,分析结果误差较大。本文使用专业疲劳评估软件FEMFAT对AGC伺服油缸缸筒进行疲劳评估,它是将优化前后两种方案的CreoSimulate有限元静力计算结果作为输入,并考虑到零件表面粗糙度及尺寸、统计方法、工作次数等因素,计算出安全系数。

缸筒的材料为42CrMo调质状态,试棒的尺寸为7.5mm,s-N曲线如图6所示。

FEMFAT中输入缸筒圆角处表面粗糙度Ra3.2,缸镀锻件毛坯厚度约为300mm,存活率为99.998%,循环次数为1×107次。

图7为FEMFAT输出的原油缸缸筒疲劳安全系数的分布图,圆角处最小疲劳安全系数为1.987。图8为优化后油缸缸筒疲劳安全系数的分布图,圆角处最小疲劳安全系数为2.575。从图中可以看出,通过更改圆角结构,可以改善缸筒的疲劳工况,提高油缸的疲劳强度,进一步延长油缸的寿命。

4结语

本文分析了大型轧机AGC伺服油缸主要失效形式,提出了缸筒圆角改进方案,并基于Creo simu1ate软件对两种方案进行有限元静力学对比分析,缸筒圆角优化后,有效降低了应力。然后又基于专业疲劳分析软件FEMFAT,在考虑零件表面粗糙度及尺寸、循环次数等因素的前提下,对两种方案进行了疲劳评估,优化后的结构较大程度地提高了缸筒的疲劳强度。因此,本文方法可以快速实现AGC伺服油缸缸筒疲劳评估,为AGC伺服油缸的设计提供了可靠的理论依据,保证了AGC伺服油缸的可靠性。