液壓油缸的失效形式及改進方案

馬青松

（中國重汽集團南充海樂機械有限公司，四川 南充 637000）

0 引言

液壓油缸可將液壓能轉變?yōu)闄C械能，是做直線往復運動（或擺線運動）的液壓執(zhí)行元件。它結構簡單，制造容易，工作可靠，傳動功率大。用它來實現(xiàn)往復運動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)，因此在各種機械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應用。液壓油缸零部件失效是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，喪失設計所規(guī)定的功能，繼續(xù)使用會喪失可靠性和安全性[1-2]。其失效形式包括活塞桿彎曲或斷裂、級間卡缸、爬行、級間或端蓋漏油、缸筒內孔拉傷。每一種失效形式均會導致嚴重后果，為延長液壓油缸的使用壽命和提高可靠性及安全性，本文對液壓油缸的失效形式進行分析并提出改進方案。

1 液壓油缸的失效形式及改進方案

1.1 活塞桿彎曲或斷裂

活塞桿彎曲或斷裂的典型失效形式如圖1所示。

圖1 活塞桿彎曲和斷裂失效現(xiàn)場照片

失效形式描 述：130 系 列三級缸套筒式油缸的活塞桿中間部位發(fā)生彎曲，頂端發(fā)生斷裂，油缸返廠后發(fā)現(xiàn)斷面屬于脆性斷裂。

原因分析：液壓油缸在舉升過程中，隨著缸筒和活塞桿的逐漸伸出，活塞桿頂端固定部位承受彎曲力矩逐漸加大，在貨箱開始卸貨時達到最大，此時活塞桿最易發(fā)生彎曲或斷裂。

改進方案：活塞桿材質原采用45鋼熱軋管，屈服強度為360 MPa，經強度核算，滿足貨箱滿載要求，但客戶使用過程中，普遍存在貨箱超載情況，現(xiàn)將材質更改為45鋼調質管，屈服強度為520 MPa，經強度核算，可滿足貨箱超載30%的使用要求；活塞桿頂端與桿頭原采用摩擦焊接方式連接，焊接強度滿足活塞桿承載要求，但摩擦焊接設備屬于老舊設備，設備穩(wěn)定性下降，導致摩擦焊時活塞桿頂端與桿頭焊接融合性較差，在活塞桿承受較大彎矩時，易于從焊接處整體斷裂，現(xiàn)將焊接方式更改為CO2氣體保護焊接，并將桿頭與活塞桿頂端重合一定長度（如圖2），使活塞桿在承受彎矩時，首先受力的部位是非焊接部位，改善焊接部位受力狀況，提高焊接可靠性。

圖2 重合一定長度的CO2氣體保護焊結構

增加活塞桿調質工序及更改桿頭焊接方式后，通過客戶實際使用驗證，未出現(xiàn)過活塞桿彎曲和斷裂現(xiàn)象。

1.2 級間卡缸

級間卡缸的典型失效形式如圖3所示。

圖3 級間卡缸現(xiàn)場照片

失效形式描述：180系列四級套筒式油缸，在自卸車貨箱裝滿貨舉升回落過程中，各級缸體在回落接近終點時，隨著舉升回落次數的增加，回落速度越來越慢，直至完全無法回落；油缸返廠后檢測發(fā)現(xiàn)，一級、二級缸體圓度嚴重超差，最嚴重處為0.2 mm。

原因分析：此油缸一級、二級缸體最薄弱位置為安裝密封、支撐環(huán)的溝槽處，厚度僅為3.5 mm，而缸體本體壁厚為12 mm，溝槽處受缸間密封保護，承受較少油缸內液壓油壓力，但當缸體伸出后，由于貨箱偏載或由于路面不平引起的貨箱傾斜，會導致一級、二級缸體頭部承受很大彎矩，且180系列油缸缸徑較大，無法承受太大彎曲應力。

改進方案：此系列油缸缸體為45鋼熱軋管制成，采用焊接式結構，即缸體頭部（安裝密封、支撐環(huán)部位）與缸體本體采用焊接方式連接，缸體頭部雖然比缸體本體厚，但此處需要安裝密封、支撐環(huán)時，必須將溝槽材料厚度減薄，導致承載力比缸體本體偏低。現(xiàn)通過對缸體頭部增加調質工序，屈服強度由360 MPa升級為520 MPa，彌補由于溝槽引起的承載力減弱。

增加缸體頭部調質工序，通過客戶實際使用驗證，未出現(xiàn)過因缸體頭部變形引起的卡缸現(xiàn)象。

1.3 爬行

失效形式描述：130系列倒推式油缸在舉升過程中，特別是試運行過程中，會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，油缸舉升時，缸筒的上升速度不均勻、時快時慢，且伴隨停頓，導致貨箱、車架、駕駛室也隨之抖動，此現(xiàn)象易加速車輛各傳動部件的早期磨損，駕駛舉升操作體驗差。

原因分析：油缸在舉升過程中，活塞桿在下方，處于靜止狀態(tài)，其它級缸筒向上伸出實現(xiàn)舉升，液壓系統(tǒng)通過活塞桿桿頭進油，隨著液壓油的注入，油缸內的少量空氣在油缸內腔上部聚集，無法排出，受液壓油的擠壓，油缸內腔上部的空氣處于高壓狀態(tài)，并且隨著液壓油的注入，空氣處于波動狀態(tài)，引起油缸缸筒上升速度時快時慢、時斷時續(xù)，即爬行。

改進方案：油缸的爬行現(xiàn)象屬于油缸內腔聚集空氣無法排出所致，現(xiàn)通過在油缸外缸體頭部加裝排氣閥解決內腔空氣無法排出問題。此排氣閥屬于單向閥，在油缸首次舉升時，打開單向閥，鋼球向左松動，油缸內腔空氣排出（如圖4箭頭指示方向），待油缸內腔有油流出，且排出的油內無氣泡時，表明空氣排盡；此時，擰緊單向閥，通過鋼球阻止油缸內腔液壓油流出，油缸后續(xù)使用均保持此狀態(tài)，無需再進行排氣操作，方便適用。

圖4 單向閥內液壓油流動示意圖

缸體頭部增加單向閥后，通過客戶實際使用驗證，未出現(xiàn)過爬行現(xiàn)象。

1.4 級間或端蓋漏油

級間或端蓋漏油的典型失效形式如圖5、圖6所示。

圖5 液壓油缸級間漏油現(xiàn)場照片

圖6 液壓油缸端蓋漏油現(xiàn)場照片

失效形式描述：在110系列油缸舉升過程中，出現(xiàn)油缸級間漏油或者端蓋漏油，導致油缸無法實現(xiàn)舉升功能，且會導致油量損失和車輛及環(huán)境污染[3]。

原因分析：1）級間漏油。油缸級間采用CK型防塵圈、YX型密封圈，材質為丁腈橡膠，使用一段時間后，容易老化；單唇結構的內孔有密封唇，外圓防塵效果差[4]。2）端蓋漏油。油缸舉升過程中，在液壓油的壓力下O形圈和擋圈向外被擠壓到端蓋邊緣。在正常情況下，由于端蓋外圓與外缸體內孔的間隙比較小，所以O形圈和擋圈不會被擠壓到端蓋外圓與外缸體內孔的間隙中。但當端蓋缺料或外圓尺寸偏小時，在外圓尺寸偏小處端蓋外圓與外缸體內孔間隙過大，O形圈和擋圈被擠壓到端蓋外圓與外缸體內孔的間隙中，導致O 形圈和擋圈被端蓋頂傷，從而導致破損斷裂，引起漏油，如圖7所示。

圖7 O形圈破損原因分析示意圖

改進方案：1）級間漏油。現(xiàn)將油缸級間防塵圈改成FC型防塵圈，材質為增強聚氨酯，雙唇結構，增加硬度、改良結構，提高使用效果和壽命。將密封圈改成UNR2型密封圈，材質為增強聚氨酯，雙唇結構，非對稱形式，有預緊力，可防止低壓漏油，增加硬度、改良結構，提高使用效果和壽命，如圖8、圖9所示。2）端蓋漏油。圖中的端蓋材料缺失處，必須達到圖樣設計尺寸公差、形位公差、粗糙度要求。

圖8 防塵圈更改前后結構對比圖

圖9 密封圈更改前后結構對比圖

更改防塵圈、密封圈類型，端蓋外圓嚴格按圖樣驗收，通過客戶實際使用驗證，未出現(xiàn)過級間或端蓋漏油現(xiàn)象。

1.5 缸筒內孔拉傷

缸筒內孔拉傷的典型失效形式如圖10、圖11所示。

圖10 缸筒根部鋼絲擋圈變形后磨損

圖11 缸筒內孔拉傷現(xiàn)場照片

失效形式描述：110系列油缸在舉升過程中，特別是使用一段時間后，缸筒根部限位處發(fā)生變形（缸筒變形或限位鋼絲擋圈變形），導致鋼絲擋圈外圓超出設計公差范圍很多，與上一級缸筒內孔發(fā)生刮擦，引起上一級缸筒內孔拉傷。

原因分析：油缸缸筒采用45 鋼熱軋管，壁厚為7.5 mm，缸筒根部安裝限位鋼絲擋圈處需加工溝槽，厚度僅為6 mm。在油缸缸筒舉升過程中，當缸筒承受貨箱偏載引起的彎曲力矩超出缸筒根部承受范圍時，易引起缸筒根部變形，且此限位鋼絲擋圈還起支撐作用（保證相鄰兩級缸筒在油缸舉升過程中處于同心狀態(tài)），保持相鄰兩級缸筒內外圓間隙在0.3～0.5 mm范圍內，如果缸筒根部或鋼絲擋圈存在變形，則會與上級缸筒內孔發(fā)生刮擦，同時由于鋼絲擋圈硬度在50 HRC以上，它在受磨損的同時，會刮傷上級缸筒內孔。

改進方案：油缸缸筒內孔拉傷屬于下級缸筒根部限位處變形所致，且限位支撐采用同一部位，現(xiàn)將限位和支撐分開設置，限位外圓尺寸減少，間隙由原來的0.3～0.5 mm改為3 mm，即使存在變形也不至于拉傷上級缸筒內孔，支撐部位采用增強聚甲醛，間隙保持0.3～0.5 mm不變，增強聚甲醛具有高承載、低磨耗、摩擦因數低、自潤滑性能好的特點，且較缸筒材料軟，不易拉傷缸筒內孔，比較適合用于支撐環(huán)。

更改此結構后，通過客戶實際使用驗證，未出現(xiàn)過缸筒內孔拉傷現(xiàn)象。

2 結語

本文所述的是液壓油缸制造工廠生產的油缸經自卸車客戶實際使用時暴露出的主要失效形式，對這些失效形式的原因進行分析，提出改進方案，并再次通過客戶驗證，對設計和加工制造此類產品具有一定的指導作用。但這些失效形式只是針對90、110、130、150、180系列的二級、三級、四級套筒式液壓油缸提出的部分失效模式和改進方案，在實際運用中，還需進一步考慮外部設備、環(huán)境對液壓油缸造成的影響，以此作為改進的依據。