冷轧无缝钢管残余应力对液压缸筒承载能力影响的研究

２０１４年１２月第４２卷第２３期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＤｅｃ ２０１４Ｖｏｌ ４２Ｎｏ ２３ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１４ ２３ ０３０

收稿日期：２０１３－１０－０９

基金项目：国家自然科学基金项目（５０９７５２０５）；天津市科技发展计划项目（１２ＺＣＺＤＧＸ００６００）

作者简介：鲍岩（１９８７ ），男，硕士研究生，研究方向为固体力学数值方法及其应用三Ｅ－ｍａｉｌ：ｂａｏｙ１１２３＠１６３ ｃｏｍ三冷轧无缝钢管残余应力对液压缸筒承载能力影响的研究

鲍岩１，叶金铎１，马叙２，张春秋１

（１ 天津市控制理论与应用重点实验室，天津理工大学机械工程学院，天津３００３８４；２ 天津理工大学材料科学与工程学院，天津３００３８４）

摘要：采用非线性有限元法对经冷轧成型无缝钢管的液压缸筒承载能力进行了研究，目的在于定量分析冷轧钢管残余应力对液压缸承载能力的影响三对冷轧钢管成型过程进行了研究，获得了冷轧钢管脱模后的残余应力，在此基础上，在脱模后钢管的内表面施加内压模拟工作时的液压缸，获得残余应力和工作应力共同作用的应力场三计算了无残余应力缸筒在内压作用下的应力分布，并对有无残余应力液压缸筒的承载能力进行了比较三结果表明：初应力的存在改变了液压缸筒等效应力的大小和分布方式，最大等效应力是无初应力时的３倍，初应力降低了液压缸筒的承载能力，用冷轧钢管作液压缸筒应该首先进行热处理消除初应力三

关键词：无缝钢管；液压缸；冷轧成型；残余应力；承载能力

中图分类号：ＴＧ３３５ ７１一一文献标识码：Ａ一一文章编号：１００１－３８８１（２０１４）２３－１２２－５ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎＣａｒｒｙｉｎｇＣａｐａｃｉｔｙｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＣｙｌｉｎｄｅｒｗｉｔｈＲｅｓｉｄｕａｌＳｔｒｅｓｓｏｆＣｏｌｄ?ＲｏｌｌｉｎｇＳｅａｍｌｅｓｓＳｔｅｅｌＴｕｂｅＢＡＯＹａｎ１，ＹＥＪｉｎｄｕｏ１，ＭＡＸｕ２，ＺＨＡＮＧＣｈｕｎｑｉｕ１（１ ＴｉａｎｊｉｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＣｏｎｔｒｏｌＴｈｅｏｒｙ＆ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＣｏｍｐｌｉｃａｔｅｄＩｎｄｕｓｔｒｙＳｙｓｔｅｍｓ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８４，Ｃｈｉｎａ；２ ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８４，Ｃｈｉｎａ）一一Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｃｏｌｄ?ｒｏｌｌｉｎｇｓｅａｍｌｅｓｓｓｔｅｅｌｔｕｂｅｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ），ｗｈｉｃｈｗａｓａｉｍｅｄａｔｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒｗｉｔｈｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｃｏｌｄ?ｒｏｌｌｉｎｇｓｅａｍｌｅｓｓｓｔｅｅｌｔｕｂｅ．Ｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｅａｍｌｅｓｓｓｔｅｅｌｔｕｂｅｗａｓｉｎ?ｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓａｆｔｅｒｃｏｌｄ?ｒｏｌｌｉｎｇａｎｄｐｕｌｌｉｎｇｏｆｆｏｆｔｈｅｍｏｕｌｄｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｗｏｒｋ，ｔｈｅｉｎｎｅｒｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｅａｍｌｅｓｓｓｔｅｅｌｔｕｂｅａｆｔｅｒｐｕｌｌｉｎｇｏｆｆｏｆｔｈｅｍｏｕｌｄｗａｓｉｍｐｏｓｅｄｂｙｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｅａｌｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎ?ｄｅｒ，ａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｃｔｅｄｂｏｔｈｗｉｔｈｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｓｔｒｅｓｓｗａｓａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒａｃｔｅｄｂｙｉｎｎｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｗｉｔｈｏｕｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒｗｉｔｈｏｕｔｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｗａｓｃｏｍ?ｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓｉｎｐｒｅｓｅｎｃｅｃｈａｎｇｅｓｔｈｅａｍｏｕｎｔａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｏｄｅｏｆｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌ?ｉｎｄｅｒａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒｉｓｔｈｒｅｅｔｉｍｅｓａｓｌａｒｇｅａｓｔｈａｔｏｆｗｈｉｃｈｗｉｔｈｏｕｔｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｃａｒｒｙｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒ，ａｎｄｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒｍａｄｅｏｆｃｏｌｄ?ｒｏｌｌｉｎｇｓｅａｍｌｅｓｓｓｔｅｅｌｔｕｂｅｍｕｓｔ

ｂｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄｗｉｔｈｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｆｉｒｓｔｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｅａｍｌｅｓｓｓｔｅｅｌｔｕｂｅ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒ；Ｃｏｌｄ?ｒｏｌｌｉｎｇｆｏｒｍｉｎｇ；Ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ；Ｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ

０一前言

液压传动是工程机械中广泛采用的传动方式，液

压油缸是液压传动系统中的重要执行元件，其中的缸

筒多数采用高精度冷轧钢管三经轧辊冷轧的钢管会在

成品钢管内形成残余应力，影响残余应力的因素较

多，主要与轧辊个数二轧制道次二钢管减径量等有

关三国内对冷拔钢管成型过程的研究比较充分，天津

理工大学的叶金铎等人采用基于数值模拟的实验方法

研究了冷拔钢管的残余应力［１］，天津理工大学的胡建英利用有限元法在完成冷拔钢管成型的基础上，研究了冷拔钢管残余应力对液压缸筒承载能力的影响［２］三因为冷轧钢管成型过程复杂，应力分布在环向已经没有对称性，目前对冷轧钢管成型过程的研究工作相对较少，揭示稳定轧制阶段应力分布和获得冷轧成型后钢管残余应力的工作较少，也没有研究冷轧钢管残余应力对液压缸筒承载能力影响的工作［３－８］三本文作者在研究冷轧钢管成型过程和获得冷轧钢

管残余应力的基础上，将获得的残余应力作为油缸缸