液壓油缸的失效形式及改進(jìn)方案

盧焯權(quán)

摘要：近年來(lái)，我國(guó)的工業(yè)化進(jìn)程有了很大進(jìn)展，對(duì)液壓油缸的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。液壓油缸可將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，是做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或擺線運(yùn)動(dòng)）的液壓執(zhí)行元件。針對(duì)液壓油缸的常見失效形式進(jìn)行描述，分析引起失效的主要原因，并提出經(jīng)過實(shí)際工況驗(yàn)證可行的改進(jìn)方案，以延長(zhǎng)液壓油缸的使用壽命、提高可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：液壓油缸;失效形式;改進(jìn)方案

引言

液壓缸具有工作壓力高、流量大、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。部分液壓缸在工作時(shí)表現(xiàn)出故障模式多樣、壽命短等特點(diǎn)，因此針對(duì)液壓缸開展可靠性試驗(yàn)并進(jìn)行壽命評(píng)估，對(duì)提高液壓缸的性能和壽命具有重要意義。以煙草專用機(jī)械液壓缸為對(duì)象，對(duì)活塞桿進(jìn)行了可靠度設(shè)計(jì)分析，并以活塞桿為研究對(duì)象，針對(duì)其斷裂現(xiàn)象，進(jìn)行了斷裂失效機(jī)理分析研究。

1當(dāng)前液壓油缸行業(yè)技術(shù)水平

液壓傳動(dòng)工作中的推進(jìn)油缸是把液壓油的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它主要依靠液壓油在油缸中的流動(dòng)方向變化，推動(dòng)油缸中的活塞，使活塞按一定的速度和推力完成某一項(xiàng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。組成油缸的主要零件有缸體、活塞、密封環(huán)、活塞桿、導(dǎo)向套、壓蓋和端板等。單活塞油缸在液壓傳動(dòng)工作中應(yīng)用最多。它的工作特點(diǎn)是：當(dāng)在活塞兩側(cè)腔內(nèi)分別輸入相同流量的液壓油時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)往復(fù)速度不相等;如果輸入活塞兩側(cè)液壓油的壓力相等，則活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的軸向推力不相等，這主要是因?yàn)榛钊粋?cè)有活塞桿的存在，使活塞兩側(cè)空腔的有效容積不相等導(dǎo)致的。在液壓傳動(dòng)領(lǐng)域中，由于液壓油缸結(jié)構(gòu)的特殊性，無(wú)論是國(guó)內(nèi)或者國(guó)外油缸廠家的產(chǎn)品，推進(jìn)油缸的活塞桿伸出均會(huì)發(fā)生自旋。目前的技術(shù)仍未能解決活塞桿自旋的問題，這也是目前國(guó)內(nèi)外所有推進(jìn)油缸的共性問題。造成此類問題的主要原因是油缸中的活塞桿為圓形，而且活塞桿與缸體之間采用O形圈密封，導(dǎo)致無(wú)法直接利用活塞桿進(jìn)行截面形狀的導(dǎo)向或限位。

2液壓缸失效機(jī)理分析

液壓缸磨損主要包括磨粒磨損、疲勞磨損和黏著磨損，其中，磨粒磨損、疲勞磨損可以由Archard模型求解：

V=KFL/（3H）（1）

式中：V為摩擦副軟材料磨損體積;K為磨損系數(shù);F為法向載荷;L為磨損行程;H為軟材料維氏硬度。以液壓缸缸筒/活塞密封摩擦副為例，活塞密封由支撐環(huán)、擋圈、動(dòng)密封等非金屬元件構(gòu)成。由式（1）可知活塞密封材料的磨損量與加載法向壓力、行程成正比，與自身硬度成反比，從而可以得知，當(dāng)活塞密封元件工作到一定時(shí)間后會(huì)造成液壓缸泄漏，導(dǎo)致液壓缸部分功能失效。液壓缸疲勞失效模式中，缸體疲勞是最常見的模式之一，其中尤以缸體開裂最為嚴(yán)重。缸體疲勞裂紋最開始一般出現(xiàn)在圓角表面，然后逐漸延展到材料內(nèi)部，最終導(dǎo)致裂紋處漏油。目前關(guān)于疲勞斷裂的問題仍廣泛采用材料力學(xué)的方法，其中實(shí)際中估算疲勞壽命時(shí)經(jīng)常采用Basquin公式：

SkaNf=C（2）

式中：Sa為應(yīng)力幅值;Nf為疲勞壽命;k、C均為材料常數(shù)。以液壓缸缸筒為例，其所受載荷主要為脈沖循環(huán)應(yīng)力，由式（2）可以預(yù)測(cè)液壓缸缸筒在低應(yīng)力高周階段的疲勞壽命。

3液壓油缸改進(jìn)方案

3.1活塞頭密封裝反

液壓油缸的活塞密封為上、下兩個(gè)Y型密封，兩個(gè)密封對(duì)稱安裝，分別承受上、下腔不同的工作壓力，Y密封因開口角度較小，安裝時(shí)朝向不易判斷，在安裝過程中極易朝同一個(gè)方向安裝，出現(xiàn)油缸修后活塞桿動(dòng)作緩慢，甚至不能動(dòng)作的現(xiàn)象。處理方法：在活塞密封進(jìn)行安裝時(shí)，應(yīng)首先檢查活塞密封規(guī)格型號(hào)是否正確，確認(rèn)無(wú)誤后，再找準(zhǔn)密封的開口朝向，做好相關(guān)標(biāo)記。在安裝過程中技術(shù)人員要隨時(shí)多次檢查，確保上、下兩個(gè)密封呈對(duì)稱安裝，且安裝位置到位。此安裝過程要求技術(shù)人員隨時(shí)進(jìn)行過程監(jiān)督把控，最后完成安裝后，再次復(fù)查核對(duì)確保無(wú)誤。

3.2液壓缸液動(dòng)力

液壓油在液壓缸內(nèi)流動(dòng)以及流進(jìn)、流出液壓缸時(shí)會(huì)對(duì)液壓缸缸體、活塞和活塞桿產(chǎn)生作用力，因此采用液動(dòng)力的概念對(duì)這個(gè)作用力進(jìn)行分析。液動(dòng)力（又稱伯努利力）分為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是指液壓閥閥口處于一定開度并且通過閥口的流量恒定時(shí)，因流進(jìn)或流出閥口的流體流速的大小及方向發(fā)生變化而產(chǎn)生的作用于閥芯上的反作用力。瞬態(tài)液動(dòng)力是指閥口打開或關(guān)閉過程中，通過閥口的流量發(fā)生變化時(shí)，流體作用在閥芯上的力，即使閥腔內(nèi)的流體加速或減速的反力。瞬態(tài)液動(dòng)力在普通結(jié)構(gòu)的滑閥中數(shù)值不大，通?？梢院雎圆挥?jì)。將液壓缸的有桿腔類比成一個(gè)液壓閥，液壓缸的缸體是固定的，相當(dāng)于閥體;活塞和活塞桿是運(yùn)動(dòng)的，相當(dāng)于閥芯。當(dāng)液壓缸伸出時(shí)，無(wú)桿腔的液壓油推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于液壓油從活塞處流入無(wú)桿腔，然后從有桿腔的油口流出。液壓閥的閥口一般設(shè)計(jì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，徑向液動(dòng)力可以相互抵消。但液壓缸的結(jié)構(gòu)不一樣，有桿腔一般只有一個(gè)油口（相當(dāng)于閥口），因此徑向液動(dòng)力方向與有桿腔油口軸線重合并朝向活塞桿?；钊麠U由于自身及活塞、撐靴重力的作用，其軸線會(huì)與缸體軸線偏離，而推進(jìn)油缸因?yàn)樵诙荏w內(nèi)周向一圈布置，其有桿腔油口朝向是變化的，當(dāng)有桿腔油口軸線與活塞桿軸線沒有相交時(shí)，徑向液動(dòng)力便會(huì)使活塞桿產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

4液壓缸壽命評(píng)估

從同一批次某型號(hào)國(guó)產(chǎn)液壓缸中隨機(jī)選取10件作為被試樣本，有桿腔和無(wú)桿腔加載壓力分別為20MPa和10MPa，液壓缸活塞桿運(yùn)行速度為200mm/s（液壓缸設(shè)計(jì)的最高速度），單次試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行8h以上。當(dāng)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)內(nèi)泄漏量增大、活塞斷裂、缸體變形等試驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)試驗(yàn)中止并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)液壓缸進(jìn)行拆檢和失效機(jī)理分析。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于新方案在撐靴上增加了導(dǎo)向桿，并通過推進(jìn)油缸伸縮試運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證了新方案的可行性。新方案相比于現(xiàn)有解決辦法更加簡(jiǎn)單有效，對(duì)提高煙草專用機(jī)械液壓油缸工作效率具有實(shí)際應(yīng)用意義，同時(shí)為相關(guān)液壓油缸產(chǎn)品設(shè)計(jì)、解決推進(jìn)油缸防扭措施提供了參考。雖然復(fù)雜環(huán)境下液壓缸的壽命數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不同的失效機(jī)理，但仍然能夠用威布爾分布來(lái)擬合其壽命數(shù)據(jù)。

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