工程机械液压缸缸筒材料选择之探讨.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 1 2 ． 2 01 3 工程机械液压缸缸简材料选择之探讨 陈登 民． 王家聪 Di s c u s s i o n a bo u t t he S e l e c t i o n o f t h e Hyd r a u l i c Cy h nd e r Tu be M a t e ria l f o r En g i n e e r i n g M a c h i n e r y C HEN De n g - mi n， WANG J i a - c o n g 徐州徐工液压件有 限公 司， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 4 摘 要 该文从化学成分 、 力学性能 和焊接性 能等 方面对 汽车起 重机油缸设计中常用的几种材料进行了 阐述 ， 并 通过试验 ， 最终 确定 选 择 Q 3 4 5 B钢管代替 4 5 钢管 ， 可 以很好地解决油缸 的焊接缺 陷问题 ， 提高液压缸 的安全可靠性 。 关键词 力学性 能 ； 油缸 ； 焊接性能 ； 汽车起重机 中图分类号 T H1 3 7 ．5 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 2 0 0 8 1 0 5 0 号I 舌 在工程机械油缸的设计 中．我们首先需要考虑 的 是油缸 的结构与性能满足主机 的要求 ．其 中油缸 的强 度 、 韧性 、 密封性和加工工艺性能等都是与油缸的原材 料密切相关的。在液压缸 中． 缸筒的加工又是相对复杂 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 1 8 作者简介 陈 1 9 6 6 一 ， 男 ， 江苏沛县人 ， 高级工程 师 ， 硕士 ， 主要 从事机 械制造方 面的技术研究工作 。 的 ， 其力学性能必须满足液压缸 的工况要求 ． 其加工工 艺也对原材料 的焊接性 能、 冷热加工性能提出了要求 ， 而决定这 些性能 的最根本 的就是原材 料 的成分 和组 织。本文就是从这些方 面系统地研究 了各种常用原材 料对起重机油缸缸筒 的性能的影响 1 材料 的选择 1 概 述 目前 ．国内工程机械行业液压缸缸筒常用材料主 3 故 障智能诊 断系统软件调取传感器所提供 液 压系统故 障参数与知识库 中专家知识以及 以往某故障 参数进行对 比。 对故障进行初步分析判断 4 通过知识库数据挖 掘并 应用故障树分析法 等 算法 ， 最终生成故障分析报告 ， 指导故障排除。 5 结语 对于盾构这种大型的、 复杂的、 高度集成 的液压系 统 ， 现场快 速、 有效地检测故障具有非常重要 的意义 。 随着人工智能技术 的成熟 与推广 。 开发融合人工智能、 参数测量等多种优秀诊断策略优点的液压系统故 障智 能诊断系统已成为液压系统故障诊断的一大趋势 应 用这种技术可 以更为准确 、 科学 、 快速地判定液压 系统 的故 障．减少盾构施工因液压系统故 障停机带来 的经 济损失 参考 文 献 【 1 】 赵炯， 郑晟 ， 唐强， 等． 盾构机 远程在线监测 与诊断设计 及研究 [ J ] ． 机电一体化， 2 0 1 0 ， 1 0 4 4 4 7 ． 【 2 】 屈波． 工程机械液压系统故障的现场检测与诊断探究 【 J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 1 2 ， 6 1 1 6 1 1 8 ． [ 3 】 冯欢欢 ， 李凤远 ， 王助锋 ． 盾构液压技术现状与发展趋 势[ J 】 ． 建 筑机械化 ， 2 0 1 2 ， 5 7 7 7 9 ． [ 4 ] 李光 ． 管片 拼装 机液 压 系统 故障分 析 及处 理． 建 筑机 械 [J ] ， 2 0 1 0 ， 4 9 8 - 1 0 0 ． 【 5 】 张磊 ， 李涛 ， 王 飞． 工程机械液压 系统泄漏及控制[ J ] ． 液压气动 与密封， 2 0 1 2 ， 9 6 2 6 3 ． [ 6 】 凌 铁坚 ， 钟 志全． 盾构 液压 系统 的油 温控制 [ J ] ． 建筑机 械化 ， 2 0 0 8 ， 6 6 1 - 6 3 ． [ 7 ] 狄沛夫． 液压 油污染对 工程 机械 的影 响及 防治措施[ J ] ． 山西交 通科 技， 2 0 0 5 ， 2 8 1 8 2 ． [ 8 】 贾要伟． 管片拼装机液压系统故障分析及处理[ J ] ． 隧道建设， 2 0 1 0 ， 3 3 2 4 3 2 6 ． [ 9 ] 任焱唏， 杨小强 ， 陈六海， 等． 便携式工程机械液压 系统故 障检 测仪[J ] ． 建筑机械， 2 0 1 0 ， 6 1 l 1 1 1 4 ． 【 l 0 】刘延俊 ， 谢 玉东 ． 液压 系统故 障诊 断技术 的现状及 发展趋 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5 5的化学成 分与碳当量都 比较接近 3 材料的力学性能 如表 2所示 ．比较 了几种常用缸简材料的力学性 能 ． 其中热轧态的性能值都来源于国家标准 ． 冷拔态 的 性能值来源于我们 的企业标准 E 3 5 5冷拔态性能指标 来源于 E N1 0 3 0 5 1 标准 。 82 表 2缸筒用材料的力学性能 2 0 、 3 5 和 4 5 钢是通 过增加钢材 中的碳含量达 到了提高钢材强度 的 目的． 而 Q 3 4 5 B材料碳含量小于 0 ． 2 ， 屈服强度 同 4 5 钢相 当， 且韧性 明显优于 4 5 钢 ； 2 7 S i Mn主要是作 为调质材料使用 ． 其调质后屈服强度 可达 8 3 5 MP a以上 2 5 Mn的主要 特点 是 冲击 韧性 较 好 ．热轧钢管在常温下冲击功可达 7 1 MP a以上 ． 2 5 Mn 在油缸行业的使用状态都是冷拔态 ．其在热轧态时强 度指标较低 ． 无法满足油缸的要求。 Q 3 4 5 B由于具有 良 好的强度值与韧性 ． 断后伸长率指标也很高 ． 除了可以 直接使用热轧态钢管外 ． 还特别适合冷拔生产 ， 其冷拔 后的各项性 能大大优 于 4 5 钢 ．与欧洲 的 E 3 5 5材料 相似。 4 材料的焊接性能 目前评价材料焊接性能的主要指标是材料的碳 当 量 ．对 比上述几种钢材 的碳 当量 f 如表 1 所示 ，可见 2 0 、 3 5 和 4 5 钢随着碳含 量增加 ， 强度提高 ， 而碳 当 量明显增加 ． 材料 的焊接性能降低较大。 2 7 S i Mn 、 2 5 Mn 、 Q 3 4 5 B和 E 3 5 5材料的碳 当量均低于 4 5 钢 。2 7 S i Mn 在调质态使用强度较高 ．适合用于耐压强度较高的液 压油缸 2 5 Mn冲击性能较好 ．宜用于受冲击较大的油 缸 ． 如挖掘机等油缸 而 Q 3 4 5 B具有较好 的综合性能 ， 热轧态的钢管屈服强度与 4 5 钢相 当。常温下 冲击功 可达到 5 0 J以上 ． 且碳 当量低于 0 ． 4 ， 具有较好的焊接性 能。使用 Q 3 4 5 B材料制造油缸 ．强度性能不低于 4 5 钢 ， 高于 3 5 、 2 0 钢 ， 焊接性 能与 2 0 接近 ， 具有优 良 的综合性能 ．各项指标都优 于欧洲油缸材料 E 3 5 5材 料 ．完全可 以替代 目前国内工程机械油缸行业大量使 用的 4 5 钢 2 材料的组织与焊接性能试验分析 1 材料 的显微组织图 图 1 、 图 2 、 图 3 、 图 4所示 分别 为 Q 3 4 5 B钢 、 4 5 HvdraulicsPneum atics＆Seals／ No．12．2013 钢、2 5M n 、27Si M n相同倍数 的组织 形貌 ，这些材 料 的 显微组 织均 为铁素体珠光体．由于材 料 的含碳量不 同。图形区别很 明显。由 图中可以看出，图3显示的 25Mn试样的组织 相 对其他3个试样 晶粒 更 加粗大并 呈带状分布。 嚣 。 弼 文 t 、 i _ ◇憩赣～i 图1Q34 5 B的显微组织 形 貌图24 5钢 的显微组 织形 貌 图325Mn的显徽组织形貌图427S ． Mn钢 的显微组 织 形貌 2材料的焊接性能 用试验 的方法 对各种材料的焊缝区域进行组织分 析．是最直观的验证材料焊接性能的方式。下面的试验 就是 对不同的材料进行对接焊．检验其焊接区域的微 观组 织形貌。 1试样 为45钢左侧25Mn右侧焊 接 。焊 缝 宏观形貌如图5所 示。 图51} }试样 焊缝及热影响区宏观 形 貌 焊缝各区显微组织如图6 ～ 图9所示。 图6 二侧 母 材组织形貌 100倍 图7 二侧母材组织 形貌 500倍 图8 二侧 融合线显微组织 形 貌 200倍 图9 二侧过热区 显微组 织 形貌 500倍 从上面 一 系列示 图可以看出 ．1试样 焊缝经多重 焊 ，焊缝规整．未见气孔等宏观缺陷，母 材为铁素体珠 光体的组织．二侧材料的含碳量不同．晶粒 大小也有明 显的差别 ．25M n侧 晶粒粗大并呈带状分布。试样过热 区的显微组织未见马氏体组织 ．但晶粒粗大．25Mn侧 明显更粗 大．魏 氏组织严重．这点应该 与其原始组织有 关。过渡区与熔合区无异常组织。 2试样为Q34 5B左侧4 5右侧钢焊接 ，焊缝 宏观形貌如 图lO所示。 83 液压 气 动 与密封 ／2013年第12期 图102试样 焊缝及热影 响区宏观形 貌 焊缝各区显微组织如图1 1 ～ 图16所示。 图1 1 二侧 母 材不同放大倍数组 织 形 貌 图12 二侧母材不同放大倍数组 织形 貌 图13 二侧融合线显微组 织 形 貌 图14 二侧过热区显微组织 形貌 图15 二侧 热影 响区细晶组 织形 貌 图16 二侧 焊 缝 熔 合区组织形 貌 从上述 一 系列示图可以看 出 ，试样焊缝经多重焊 ， 焊缝规整．未见气孔等宏观缺陷。 焊缝过热区未见 马 氏 体组织．45侧晶粒粗大，呈魏氏组织分布，铁素体有呈 针状．Q34 5B侧晶粒也比原始状态粗大，也有魏氏组织 出现．但是效果明显优于4 5侧。 过渡区与熔合区无 异 常组织。 3试样 为27SiM n钢焊接 ，焊接前将焊接件预热到 250 0c ．其焊缝宏观形貌如 图17所示。 图173试样焊缝热 影 响区宏观 形 貌 焊缝各区显微组织如图18 ～ 图20所示。 图18母材200倍与500倍观察的显微组 织 形貌 HvdraulicsPneum aticsSeals／No．12．2013 图19融合线200倍 与500倍观 察的显微组织形貌 图20过 热 区200倍 与500倍 观 察 的显微组 织 形 貌 从上述 一 系 列示 图可以看出．3试样过热区的显 微组织 为贝氏体组织．晶粒较粗大。母 材 为铁素体珠光 体的带状组织，珠光体明显球化。可以看出，3试样焊 接温度高，晶粒粗大，南于焊接件进行了预热，冷却速度 有所降低，未出现马氏体组织。形成了贝 氏体组织。 3试验总结 碳钢焊接件的过热区最容易出现的是魏氏组 织 粗大 的铁素体与珠 光体呈针、片状，魏氏组织 属于材 料的 一 种过 热组织 ，韧性 很差，在油 缸的使用过程中， 由于受到不同方 向的应力，很容易出现焊接微 裂纹．最 终导致爆缸事故的发生。试样的过热区组织与母材组 织越接近，组织应力就越小，融合线及过热区产生焊接 缺陷的危 险性就会减小．最终形成微 裂纹 的倾向也会 较小。在上述3个检验试样 中。Q34 5B材料在焊接时没 有进行预热与焊后回火．就可以达到比较满意的结果． --一--- 一 可以看出其性能是相对较优的。 焊接缺 陷的 出现与母材的原始组织也有很大的关 系。合理选择油缸材料，可以保证材料的原始组织均 匀，避免在后续焊接加工过程中产生过热缺陷。 Q345B 材料的原始组织也是上述中最优的． 碳元素作为钢 中的主要 元素之 一 ．适当地增加其 在钢 中的含量 ，可以达到提高材料强度 的目的。可是， 从上述试验可以看 出，在材料中增加C含量 ．必然会导 致材料的焊接性能降低 ，存在焊接隐患。Q34 5B材料含 碳量较低 ．由于合理地添加了合金元素，材料的强度指 标提高了 ，可以达到45钢的强度值；另外，材 料的晶 粒细化了．再加上控制了材 料 的碳 当量值．从而保证了 材 料在焊接过 程中不需要 预热 与焊后 退火处理 ．给油 缸 的加工带来的很大的便利。 3结语 Q34 5B 、45钢、25M n 、27SiMn这几种缸筒常用材 料 ，在焊接试验 中，Q345B表现相对较好，而且，其材料 强度指标也比较合适．各项性 能指标都优于欧洲 油 缸 行业材料E355，完全可以满足油 缸的性能要求。所以 ． 选择Q34 5B钢替代4 5钢，既 可以满足设计的强度要 求，也满足了油 缸的加工性能、焊接性能要求 ，对于提 高油缸产品质量．保证油缸的使用安全性具有很大的 促进作用。 参考文献 f 1】王家聪 ，生敏，刘庆教，陈登民，杨立志 ．用Q345B钢 管生产 工程机 械液压 油缸 缸简【 J ]．钢管 ，2012，64 5_49 ． 『21 国家质量 技 术监督局．G B ／ T8162 2008，结 构用无缝 钢管『S1． 北京中国标准出版 社。2008． [3】曹良裕，魏 战江 ．钢 的碳当量 公式机器 在焊 接 中的应用[J ]．材 料开发与应用，1999，139_43． 【 4】国家 发展和改 革 委员会．JB／ T 4730．3 2005，承压设 备无损 检 测『S1．北京t中国标准 出版社，2005． 一 一一 一 一 --- 一一 液压气动与密封杂志是中国液压气动密封件工业协会精心培育 的协会会刊，始终致 力于将其打造成行业内最 权威的 核心平面媒介．是 世界第二 、弧洲最 大的PTCAS IA展会 的唯 一 指定宣传媒体，杂志的 “ 企业之声 ” 栏目及 时报道行业的最新动 态和资讯 ，助推液压、液力、气动和密封行业的旗舰企业．因此是厂商宣传和刊登广告 的最理想场所。 本刊为月刊 ．另有每年的P TCAS IA展会专刊。发行领域为国内外液压、液力、气动和密封产品配套主机企业．本行业从事 生产 、商贸的企业；科研院所、大专院校等。发行渠道为邮局订 阅；主管部门、企业经理、销售经理、专家跟踪发行；主机 企业定 向跟踪发行；国内外 多个展会现场发行；广告 客户、上下游用户定 向发行。增值服务有网站 与期刊互动；展会和期刊互动结合 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