推耙機(jī)推耙油缸活塞桿彎曲分析

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

推耙機(jī)是一種港口清倉(cāng)、平整作業(yè)專用設(shè)備，按推耙鏟安裝位置不同可分為內(nèi)置式和外置式推耙機(jī)，大馬力推耙機(jī)普遍采用外置式推耙鏟。推耙機(jī)工作條件十分惡劣，尤其是推耙鏟、后防護(hù)架經(jīng)常承受沖擊，受力狀態(tài)復(fù)雜，應(yīng)力值較大。2016 年5 月，山推2 臺(tái)STR13 推耙機(jī)推耙油缸在廣州市相繼出現(xiàn)活塞桿彎曲情況，經(jīng)對(duì)推耙油缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，得出活塞桿的應(yīng)力及變形分布狀況，改進(jìn)推耙油缸活塞桿設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

1 推耙機(jī)活塞桿彎曲的現(xiàn)狀調(diào)查

廣州市客戶在使用山推STR13 推耙機(jī)過(guò)程中，出現(xiàn)左側(cè)推耙油缸活塞桿彎曲現(xiàn)象，不能正常工作，活塞桿彎曲位置如圖1 所示。圖中油缸的缸體正常，未發(fā)生彎曲變形，活塞桿出現(xiàn)向上的彎曲，該現(xiàn)象是由推耙機(jī)后退，鏟刀受力對(duì)油缸進(jìn)行壓縮導(dǎo)致。

對(duì)推耙油缸進(jìn)行拆解，觀察活塞桿彎曲情況，彎曲最大變形位置（圖2）靠近缸筒一側(cè)，活塞桿表面光滑，沒有磕碰的痕跡，推耙油缸活塞桿主要是彎曲變形，變形后未發(fā)生斷裂，說(shuō)明沒有受到向上的外力作用。

圖2 活塞桿彎曲照片

2 推耙油缸結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析

2.1 推耙油缸結(jié)構(gòu)

推耙鏟是整機(jī)的重要受力部件，推耙油缸安裝結(jié)構(gòu)如圖3 所示，鏟架與鏟刀通過(guò)銷子連接在一起，推耙油缸的缸體連接鏟架，活塞桿連接鏟刀。圖中構(gòu)件4 即為左側(cè)推耙油缸，推耙油缸的伸縮可以改變鏟刀的推耙角度。

該推耙油缸是普通的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)式液壓缸，由缸筒、缸蓋、活塞、活塞桿及密封元件組成，推耙鏟工作時(shí)，推耙油缸將受到拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，以及很小的彎矩作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中活塞比較細(xì)長(zhǎng)，是推耙油缸的最薄弱部分，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)推耙油缸的關(guān)鍵所在。

圖3 推耙油缸安裝結(jié)構(gòu)

圖4 推耙油缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 推耙油缸彎曲穩(wěn)定性分析

推耙機(jī)在水平地面作業(yè)，鏟刀于固定位置耙料，推耙鏟在水平內(nèi)無(wú)偏轉(zhuǎn)，其中部突然頂?shù)秸系K物時(shí)，對(duì)油缸活塞桿進(jìn)行受力分析。圖5 為推耙油缸活塞桿伸出示意圖，活塞桿直徑d=50mm，缸體內(nèi)徑D=120mm，支承長(zhǎng)度L=1300mm ＞（10～15)d=500～750mm，因此需驗(yàn)算活塞桿彎曲穩(wěn)定性，其假設(shè)活塞桿受力F1完全作用在軸線上，進(jìn)行驗(yàn)算

圖5 推耙油缸活塞桿伸出示意圖

實(shí)際彈性模數(shù)

活塞桿橫截面慣性矩

式中Fk——活塞桿縱向彎曲破壞臨界載荷，N；

E——活塞桿材料的彈性模量，鋼材取E=2.1×105MPa；

n——末端條件系數(shù)，兩端鉸接，故取n=1；

nk——安全系數(shù)，一般取2～4；

a——材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般取a=1/12；

b——活塞桿截面不均勻系數(shù)，一般取b=1/13；

I——活塞桿截面慣性矩，m2，實(shí)心活塞桿取I=πd4/64；

將d=0.050m，L=1.3m 代入式（2)可得活塞桿縱向彎曲破壞臨界力

當(dāng)推耙油缸安全閥卸載時(shí)，活塞桿承受的力最大，而此時(shí)活塞腔內(nèi)壓力為安全閥的調(diào)定壓力，21MPa，活塞桿承受的最大壓力

式中p——推耙油缸內(nèi)的壓力，N/m2；

A——推耙油缸的活塞面積，m2；

D——缸體內(nèi)徑，m。

由式（1)可得推耙油缸的安全系數(shù)nk=Fk/F1≈1.59。

3 改進(jìn)措施

經(jīng)過(guò)推耙油缸結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析可得推耙油缸的安全系數(shù)偏低，即推耙油缸的彎曲穩(wěn)定性不夠，再計(jì)算推耙油缸卸載時(shí)活塞桿和密封圈及缸體和密封圈摩擦力的作用，活塞桿受到附加徑向力或彎矩時(shí)則容易彎曲，因此需要推耙油缸改進(jìn)。

通過(guò)式（1)與式（2)可得，要想增加推耙油缸彎曲穩(wěn)定性，必須增大推耙油缸活塞桿截面慣性矩，改進(jìn)后活塞桿彎曲穩(wěn)定性的安全系數(shù)nk必須大于2。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)活塞桿長(zhǎng)度不變時(shí)，活塞桿直徑應(yīng)取55mm以上，安全系數(shù)即可滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

推耙鏟是推耙機(jī)的重要工作部件，推耙油缸出現(xiàn)問(wèn)題將導(dǎo)致推耙機(jī)不能工作，因此設(shè)計(jì)推耙機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)推耙鏟的部件進(jìn)行仔細(xì)的校驗(yàn)核對(duì)，防止出現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)推耙油缸結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，找出了活塞桿彎曲原因，是由于活塞桿的直徑設(shè)計(jì)偏小，不能滿足推耙油缸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。最后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)推耙油缸進(jìn)行了改善，把改善后的推耙油缸進(jìn)行裝機(jī)，取得了預(yù)期的效果。