液压油缸用高强度高耐蚀材料的工艺研究

液压油缸用高强度高耐蚀材料的工艺研究

张尊善

370829198304022011山东锐驰机械有限公司：271000

摘要：液压支架运动的核心动力元件是立柱油缸，目前行业内最常见的立柱结构为双伸缩立柱，双伸缩立柱结构中受力最大的部件是中缸体，因此，中缸体质量的好坏直接影响支架的使用寿命和使用体验。中缸体通常由中缸筒和中缸底组焊而成，中缸底在组焊前通常精加工内平面、坡口、止口及底阀孔，传统观点认为底阀孔离焊缝位置较远，焊接热影响不到，因此组焊后底阀孔尺寸不会发生变化。但在平顶山平煤机煤矿机械装备有限公司某套小缸径双伸缩立柱样机组装时发现底阀装配困难，测量显示底阀孔尺寸为负差，进一步调查显示底阀孔尺寸在焊前、焊后存在明显差异，本文对此进行了研究。

关键词：液压油缸；S890钢；热处理工艺；焊接工艺；耐腐蚀性

引言

以往人员和车辆轮渡采用船上自带的升降桥搭载在码头岸边的水泥斜坡上，供人和车上下船。随着滚装运输船吨位的增大，船舶相对岸边较高，船上自带的升降桥已无法满足使用需求，岸边大型升降桥应运而生。升降桥可根据潮水高低调整倾角，船上的升降桥搭在岸边升降桥的桥板上，形成从船到岸的平缓坡道，避免了车辆上下时可能磕到底盘或碰到前后保险杠的风险。目前码头岸边的升降桥一般采用液压油缸控制，为实现油缸同步控制，需对各种同步方式进行比选，以免影响设备运行效率和性能。

1试验材料与方法

试验用S890热轧钢管，其外径为准502mm，壁厚为69mm，S890钢的化学成分使用Icp6300型等离子电感耦合光谱仪检测，化学成分见表1。在热处理和焊接工艺研究中，S890钢使用箱式电阻炉进行热处理，使用窄间隙环缝焊机进行环缝焊接。本试验采用表观观察法研究S890、30CrMnSi、27SiMn和30CrMo这4种材料在模拟液中的腐蚀情况。浸泡温度为40℃、浸泡时间为3d、浸泡溶液为350mL。制备的浸泡溶液：在标准水中加入1%（质量分数）的NaCl，然后分别加入1%、3%或5%的福斯乳化液。

表1S890钢的化学成分(质量分数，%)

S890、30CrMnSi、27SiMn和30CrMo钢管制成电化学试样，进行极化曲线测试。试样规格为10mm×10mm的正方形小块。电化学试验采用VMP3多通道电化学设备进行测试，动电位极化曲线的扫描范围从-250mV到阳极方向，扫描速率为0.5mV/s。

2试验结果与讨论

2.1底阀孔尺寸变化情况分析

组焊过程发生的底阀孔处尺寸变化源于焊接过程造成的内应力，由于焊接时焊缝位置发生塌陷，该位置发生收缩性尺寸变化。而焊接过程的热量输入会导致自外而内逐渐降低的温升，温度升高会形成明显的热应力，热应力是一种收缩性的应力状态。由于实际焊接过程影响因素较多，热量输入并非理想的均匀稳定状态，这造成焊接时圆周方向温度升高情况存在差异，即产生不均匀分布的热应力场，并在该热应力场作用下导致组焊后不同中缸体底阀孔之间和同一中缸体底阀孔的不同位置发生不同程度的收缩变形。基于上述分析，首先从焊接热输入的影响因素着手分析原因。影响焊接热输入的主要因素包括预热温度、焊接层次、层间温度、焊接线能量等，其中焊接线能量指的是焊接热源输入给单位长度焊缝的热量。

2.2耐腐蚀性能

乳化液的浓度会对钢材的耐点蚀性能有显著影响，乳化液浓度降低，加速浸泡试验点蚀数目显著增加。乳化液具有一定的缓蚀性，但当乳化液浓度为1%时，材料很容易发生局部腐蚀。1%的福斯乳化液中的浸泡30CrMnSi、27SiMn和30CrMo试样都出现了较严重的腐蚀，而S890试样的腐蚀稍轻。当福斯乳化液浓度达到3%时，27SiMn腐蚀最严重，其次为30CrMnSi，S890、30CrMo腐蚀最轻。当福斯乳化液浓度达到5%时，30CrMnSi和27SiMn点蚀状况也得到较大改善，点蚀数目为1，S890和30CrMo没有发生腐蚀。说明，在不同浓度的福斯乳化液中，S890的耐腐蚀性均优于30CrMnSi、27SiMn和30CrMo的耐腐蚀性。

2.3系统压强及装机功率

当在正常工作时，单缸承受2000kN拉力，对应需要的压强为13．5MPa。除了负载外，还要考虑背压。比如后腔背压(回油背压)增加1．5MPa，则根据油缸前后面积比，可以计算出前腔需增加的压强为2．1MPa，故需要油泵输出压强为13．5+2．1=15．6MPa。极限工况下要保证单缸拉住整个桥体，即单根油缸承受4000kN载荷，此时若不考虑背压，前腔需要的压强为26．6MPa;再加上前腔需增加的压力2．1MPa，故总压强为26．6+2．1=28．7MPa。综上，当正常工作时需要油泵输出的最大压强为15．6MPa;当应急维修时，单缸承受全部拉力，此时需要油泵输出的最大压强为28．7MPa。按双缸需要的压强和流量计算，装机功率为41．6kW。

2.4双吊点液压抓梁启闭检修闸门

常规双吊点液压自动抓梁启闭检修闸门时，为使抓梁、检修闸门不与门槽卡阻，抓梁吊点连线需要与闸门重心线重合，使得双吊点自动抓梁的通用性较差。当检修闸门规格不同，各门重心线不重合时，需要在检修闸门上布置配重使不同规格的检修闸门重心线重合，这增加了检修闸门的设计难度及工程量，对启闭机能力的要求也相应提高。

2.5中缸底阀孔尺寸变化情况验证

经调查，该小缸径中缸体缸径为φ160mm，其中中缸底材料为30CrMo，中缸筒材料为27SiMn，两者对接组焊为一体，焊缝结构是传统的坡口焊缝，坡口顶部最大尺寸为φ229.3mm，坡口根部最小尺寸为φ167mm，坡口角度18°，根部圆角R5mm，组焊时两侧坡口对称分布。为验证底阀孔焊后尺寸变化情况，随机选取10件中缸底，测量其底阀孔尺寸并在测量位置做标识（底阀孔内径尺寸Ⅰ），再在与其相垂直位置取第2个值（底阀孔内径尺寸Ⅱ），并取两值差值的绝对值作为底阀孔圆度。

3结论

（1）S890钢应用于液压油缸的最佳工艺方案的热处理工艺为：淬火温度930℃，保温100min，水冷；回火温度（630～640）℃，保温240min，水冷；窄间隙焊接的工艺为：采用ER76-G焊丝、80%Ar+20%CO2保护气体、焊前预热100～150℃、打底焊电流220A电压23.4V、填充焊电流280A电压28.6V、层间温度100～300℃。（2）在S890、30CrMnSi、27SiMn和30CrMo这4种材料中，采用S890钢制作的液压油缸，其强度、韧性和耐腐蚀性最好。

结束语

过对发射车调平装置的受力和磁感应强度的有限元仿真实验，获到了调平油缸的应力分布、表面磁感应强度曲线，得到如下结论：１）调平油缸所受应力大于支撑活塞杆和连接基座，且最大应力出现在液压缸内侧；２）利用弱磁损伤检测技术探测设备表面的磁感应强度曲线，能够有效确定内部结构缺陷的位置；３）利用阵列式弱磁测量装置能够获取设备内部缺陷的位置、形状及长度。

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