卡爾瑪DCE型空箱堆高機轉向油缸損壞原因及改造措施

陳強

1 卡爾瑪DCE型空箱堆高機介紹

卡爾瑪DCE型空箱堆高機是由卡爾瑪司生產的專門用于空箱堆高作業(yè)的專業(yè)設備。該設備額定載荷為，可以進行7～8層標準集裝箱高度的堆箱作業(yè)，目前廣泛應用于我國各大港口和堆場。該款空箱堆高機是卡爾瑪公司在大型叉車底盤的基礎上針對空箱堆高作業(yè)的要求開發(fā)出來的，其在結構上與大型叉車有許多相似之處，如兩者均采用前輪驅動、后輪轉向的結構方式。如圖1所示：空箱堆高機的轉向輪胎安裝在轉向輪轂上，轉向輪轂安裝在轉向節(jié)上，通過雙作用轉向油缸的拉動，轉向節(jié)可以在一定角度內擺動，從而帶動后輪轉向。在實際使用過程中，轉向油缸容易損壞，導致空箱堆高機無法轉向，存在一定安全隱患。

2 卡爾瑪DCE型空箱堆高機轉向油缸存在的問題

2.1 轉向油缸結構及控制原理

如圖2所示，空箱堆高機采用的雙作用轉向油缸主要由缸筒、活塞桿、左右缸頭及各種相應的密封件組成。與一般的轉向油缸不同的是：該轉向油缸的缸頭不是采用常見的法蘭螺栓固定的，而是采用大卡簧來防止缸頭跑出，同時用端蓋和端蓋螺栓拉住缸頭，防止缸頭往里竄動。

轉向油缸的動作由液壓系統控制，其控制原理如圖3所示：油缸的壓力由液壓泵提供，油缸的動作方向通過方向機切換；同時，在控制系統中裝有溢流閥，保證轉向系統壓力不超過。當然，實際上空箱堆高機的轉向液壓控制系統遠遠沒有這么簡單，另外還需要一套比較復雜的控制閥來合理調配轉向動作、剎車、吊具動作等的供油順序，以確保轉向優(yōu)先功能的實現。

2.2 轉向油缸存在的問題

在實際使用過程中，空箱堆高機的轉向油缸容易發(fā)生故障的主要部位為圖2中的A，B，C處。A處是轉向油缸缸頭的卡簧槽位置，常見的故障表現為卡簧槽母材整圈開裂、卡簧失效、油缸缸頭從缸筒里脫出、轉向油缸無法動作等，該位置是轉向油缸最容易出現問題的部位；B處是轉向油缸缸筒的拼接焊縫，在使用過程中經常發(fā)生焊縫開裂、油缸缸筒脫開并噴油的現象；C處是轉向油缸的固定螺栓，在使用過程中經常發(fā)生油缸固定螺栓松動或被剪斷的現象。

根據對轉向油缸故障的統計分析，絕大多數油缸發(fā)生故障時轉向輪都處在“死方向”位置，因此，初步判斷司機打“死方向”是造成油缸損壞的重要原因。

2.3 轉向油缸受力計算及損壞原因

根據測量，轉向油缸的缸筒內徑為，活塞桿直徑為，據此計算出油缸動作時液壓受力面積為2。當轉向油缸處于“死方向”時，油缸內的液壓壓力（）就是溢流閥開啟的壓力（/cm2），據此可以計算出油缸打“死方向”時油缸活塞桿的推力約為。另外，由于液壓系統中的溢流閥需要一定響應時間，當轉向油缸運行到極限位置時的瞬間壓力會比溢流閥的工作壓力大許多。根據壓力測試，在溢流閥起作用前的瞬間，液壓壓力可以達到以上，即轉向油缸的最大推力瞬間可以達到左右。

鑒于此，廠家對空箱堆高機轉向極限位置定位方式的設計與一般的小型叉車有所不同：小型叉車一般在轉向橋左右兩邊各安裝一塊機械擋塊或一套可調節(jié)的定位螺栓來抵住轉向節(jié)，從而控制轉向節(jié)的可轉動角度；而空箱堆高機若采用這種方式，則可能因轉向油缸推力太大造成轉向節(jié)、轉向節(jié)連接板及其他部件（如連接銷等）受損或變形，在長時間的使用下，會導致油缸活塞桿變形，因此，空箱堆高機的“死方向”位置是靠轉向油缸自身來定位的。轉向油缸的“死方向”角度由圖2中安裝在活塞桿上的行程定位套控制。當空箱堆高機的轉向節(jié)轉動到一定角度后，轉向油缸里的行程定位套頂住缸頭，活塞桿無法繼續(xù)動作，轉向輪就處于“死方向”位置。該設計方式可以有效避免轉向節(jié)等重要部件受力過大，但轉向油缸缸筒本身會受到較大沖擊力。當轉向油缸處于極限位置時，活塞桿行程定位套頂住缸頭，活塞桿的推力全部作用在油缸上，油缸上的焊縫、缸頭卡簧槽及油缸固定螺栓都會受到非常大的作用力。不過，轉向油缸的推力并不會立即導致油缸損壞，根據計算，油缸重要部位的承受能力均大幅超過油缸推力。

2.3.1 轉向油缸固定螺栓剪切力計算

轉向油缸固定螺栓采用M20的10.9級高強度螺栓，根據相關資料，其極限剪切應力至少為，那么，單枚油缸固定螺栓的極限抗剪切力為。轉向油缸為雙作用油缸，缸筒上共有4枚固定螺栓，左右兩側各2枚。當油缸工作時，兩側螺栓受到的剪切力方向相反；因此，單側2枚螺栓共同承受油缸的推力，即平均單枚固定螺栓承受的剪切力，不到螺栓極限抗剪切力的1/3。

2.3.2 缸筒卡簧槽強度計算

根據油缸卡簧槽尺寸（見圖4），按油缸缸筒材料為45號鋼、許用剪切應力為計算，得到缸筒卡簧槽的許用應力為，約，是油缸最大推力的2.6倍。

2.3.3 轉向油缸損壞原因

根據以上計算結果，無論是轉向油缸的固定螺栓還是卡簧槽部位，其強度均能承受油缸推力，正常使用下的油缸不會因此而受損。造成轉向油缸損壞的真正原因是空箱堆高機司機長期進行“死方向”操作，導致油缸活塞桿對油缸缸筒產生高強度和高頻率沖擊，造成缸筒和固定螺栓產生金屬疲勞。

在空箱堆高機司機打“死方向”行車的過程中，受場地路面平整度及輪胎花紋形狀等因素的影響，輪胎每轉動1圈，油缸缸筒受到的沖擊次數達幾十次。如圖5所示，空箱堆高機一般采用塊狀橫向深花紋工程輪胎，這種輪胎花紋可以產生較大的切向彈性變形，增加輪胎抓地力，防止輪胎切向打滑；此外，這種輪胎花紋還能產生一定橫向彈性變形，防止輪胎橫向側滑。以某國產品牌輪胎為例，該輪胎有30格花紋，在不考慮地面不平等因素造成輪胎橫向受力的情況下，輪胎在“死方向”狀態(tài)下每轉動1圈，會受到30次橫向反作用力來使輪胎擺脫“死方向”狀態(tài)。輪胎反作用力造成轉向油缸推力出現有規(guī)律的波動，從而使缸筒因受到較大循環(huán)應力而出現金屬疲勞。

空箱堆高機輪胎直徑為左右，據此計算，空箱堆高機每行走，輪胎對轉向油缸造成8.3次反作用力；若考慮地面不平造成的影響，則轉向油缸所受反作用力的次數更多。在卸船堆箱作業(yè)中，司機（尤其是新司機）頻繁采用打“死方向”的方式來調整集裝箱堆放角度，堆放1個集裝箱需要調整數次。若平均每臺空箱堆高機年作業(yè)量10萬箱以上， 按卸船作業(yè)量5萬箱、每個集裝箱打“死方向”行走計算，轉向油缸缸筒受到的循環(huán)應力次數高達125萬次。由此可見，空箱堆高機司機打“死方向”作業(yè)是造成轉向油缸缸筒材料金屬疲勞的主要原因。

3 卡爾瑪DCE型空箱堆高機轉向系統改造

3.1 轉向系統液壓油路改造

轉向油缸缸筒材料金屬零件疲勞周期的主要影響因素為：（1）零件本身存在設計及加工缺陷，如裂紋、沙眼等導致零件在使用過程中存在應力集中的現象；（2）零件在使用過程中承受較大循環(huán)應力，其承受的最大循環(huán)應力越大，零件斷裂循環(huán)次數越小。具體來看，零件在加工中存在的問題難以控制，受制于場地條件、操作習慣等，空箱堆高機司機頻繁打“死方向”的問題在短時間內也難以改善，而空箱堆高機打“死方向”時油缸所承受的最大循環(huán)應力則是較易改變的。

如前文所述，當轉向油缸動作到極限位置時，油缸受到的最大壓力來源于液壓系統持續(xù)上升的液壓壓力；如果在油缸動作到極限位置前切斷液壓油供給，則油缸承受的壓力取決于油缸活塞桿的負載。根據測量，轉向油缸在動作至極限位置前內部的液壓壓力不到，約為打“死方向”后極限壓力的1/3。這意味著，在同樣的使用條件下，若在油缸動作到極限位置前切斷液壓油供給，油缸的疲勞周期大約能延長3倍。

為控制轉向系統液壓壓力，在方向機與轉向油缸之間加裝2個電磁阻斷閥（見圖6）。當轉向油缸向右側動作至接近極限位置時，右側感應限位器檢測到油缸位置，導通繼電器，使左側電磁阻斷閥切換到單向閥側，從而切斷方向機對油缸的供油；由于液壓油無法繼續(xù)流通，液壓系統提高的壓力由溢流閥卸去，此時，方向盤變重，司機感覺已經打到“死方向”位置；由于電磁阻斷閥為單向閥結構，當司機反轉方向盤時，油缸可以從另一側正常供油，司機在操作上的感覺與改造前基本沒有區(qū)別。

3.2 轉向系統電氣線路改造

控制轉向油缸油路的電磁阻斷閥由安裝在油缸兩側的行程傳感器控制（見圖7）：當油缸向左側移動到行程傳感器位置時，傳感器信號輸出到繼電器，使右側電磁阻斷閥線圈得電，切斷油缸供油。行程傳感器在使用過程中可能出現信號線常帶電故障，導致該傳感器控制的電磁阻斷閥線圈常帶電，使得向該側的方向動作無法進行，存在一定安全隱患。為降低此故障發(fā)生概率，在轉向油缸左右兩側各安裝2個行程傳感器，相互間采用串聯連接方式，即一個傳感器的信號輸出線作為另一個傳感器的電源線，只有2個傳感器同時感應到繼電器才會動作。2個傳感器同時出現信號線常帶電故障的概率極低，從而有效降低方向被意外鎖死的概率。轉向油缸行程傳感器和電磁阻斷閥安裝如圖8所示。

4 卡爾瑪DCE型空箱堆高機轉向系統改造效果及升級

4.1 改造效果及缺陷

對1臺空箱堆高機進行轉向油缸液壓阻斷閥改裝試驗并對改裝效果進行跟蹤。轉向系統改造有效避免轉向油缸在極限位置的使用，使轉向油缸缸筒及固定螺栓受到的最大載荷力減小，從而對轉向油缸起到良好的保護作用。

不過，該改造對液壓元件造成一定沖擊力，因為司機在操作方向盤時是以相對平緩的速度打到“死方向”位置的，系統的最大壓力以相對緩慢的速度提升；而液壓阻斷閥的切換速度遠遠快于司機的操作速度，轉向系統的液壓壓力會在瞬間達到較高值，從而對方向機、液壓油管及阻斷閥形成一定沖擊力，可能導致這些液壓元件的使用壽命縮短。

此外，改造加裝的電磁阻斷閥采用模擬電路控制，其長期使用的可靠性有待提升。雖然2個行程傳感器串聯控制繼電器的方式可以有效避免因其中一個傳感器短路而引發(fā)故障，但2個傳感器同時短路通電難以避免。另外，這套系統無法避免因繼電器線圈短路等引發(fā)故障。

4.2 改造升級

4.2.1 減少液壓元件受到的沖擊

導致液壓元件受到沖擊的主要原因是加裝的電磁阻斷閥切換速度過快，使液壓系統的壓力在短時間內上升到峰值，若降低電磁阻斷閥的切換速度便能解決該問題。當前使用的電磁阻斷閥屬于開關型電磁阻斷閥，即閥芯只有完全切斷或完全打開2個狀態(tài)，無法精細地控制閥芯的開度和切換速度。要實現閥芯切換速度的變化，可以選用比例電磁阻斷閥，其可以通過控制線圈電流的大小實現閥芯開度的變化。當轉向油缸動作到極限位置時，逐漸增加電磁阻斷閥線圈的電流，閥芯的開度也由小變大，從而使系統壓力的上升速度得到有效控制。電流變化的速度需要根據實際情況反復調試來確定。

4.2.2 升級電氣控制系統

改造采用的模擬電路結構簡單，成本較低，無法很好地實現對比例電磁阻斷閥的控制，因此，需要在電氣控制系統內增加可編程控制模塊。

如圖9所示，比例電磁阻斷閥控制模塊主要具有以下功能：（1）接收左右兩側行程傳感器的位置信息，數字電路的應用不再需要將2個行程傳感器進行串聯控制，行程傳感器的可靠性得到大幅提升；（2）實現對兩側比例電磁阻斷閥的變電流控制，并通過修改程序設定的時間和電流值，對控制效果進行精細調整；（3）將控制系統中的故障以代碼的方式輸出到顯示屏，以便對系統進行故障排除和維修。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-06-22）