甘蔗收獲機(jī)前輪油缸活塞脫落改進(jìn)

蔣 拓，蔣玲麗，高名乾

（1.柳州柳工液壓件有限公司，廣西 柳州 545007；2.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

食糖是我國四大重要農(nóng)產(chǎn)品和三大經(jīng)濟(jì)作物之一，是關(guān)系到國計(jì)民生和國家經(jīng)濟(jì)安全的重要戰(zhàn)略物資。糖業(yè)是廣西的支柱產(chǎn)業(yè)。自2015年以來，廣西食糖產(chǎn)量連續(xù)15年占全國總產(chǎn)量的60%左右。雖然廣西是全國最大的糖料蔗種植區(qū)，但甘蔗種植收獲的機(jī)械化程度低，甘蔗生產(chǎn)多靠人工完成，尤其是收獲環(huán)節(jié)，機(jī)械化率僅為4%。相較澳大利亞的種植和收割的100%機(jī)械化差距非常大。

國家發(fā)展改革委、農(nóng)業(yè)部等國家部委多次召開專題會(huì)議，研究部署全國甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化等工作，印發(fā)《推進(jìn)廣西甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化行動(dòng)方案（2017-2020年）》，把廣西甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化問題納入國家層面部署規(guī)劃。

廣西柳工農(nóng)業(yè)機(jī)械股份有限公司響應(yīng)國家部署，開發(fā)了甘蔗收獲機(jī)。其中，針對(duì)廣西特有的地貌形態(tài)開發(fā)了一款180馬力的甘蔗收獲機(jī)，其核心液壓元件——油缸均使用我公司產(chǎn)品，該產(chǎn)品受力最復(fù)雜的就是前輪油缸，因?yàn)槠浼扰c甘蔗收獲機(jī)割臺(tái)高度的調(diào)整相關(guān)，又與甘蔗收獲機(jī)的轉(zhuǎn)向相關(guān)。

在甘蔗機(jī)前輪油缸開發(fā)初期，曾經(jīng)發(fā)生過這樣的故障：在甘蔗收獲機(jī)工作一段時(shí)間后，甘蔗收獲機(jī)的割臺(tái)高度無法正常調(diào)整。經(jīng)聯(lián)系服務(wù)人員進(jìn)行分析查看，發(fā)現(xiàn)是前輪油缸失效導(dǎo)致割臺(tái)高度無法調(diào)整。服務(wù)人員在將故障前輪油缸從甘蔗收獲機(jī)上拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)，前輪油缸的活塞桿可以從缸筒中完全拔出。將活塞桿拔出后，本應(yīng)裝配在活塞桿上的尼龍鎖緊螺母以及活塞均從活塞桿上脫落了，從而確認(rèn)了前輪油缸的失效是由于活塞與活塞桿脫落引起的。

1 甘蔗收獲機(jī)前輪油缸結(jié)構(gòu)及其工作原理

廣西種植甘蔗的地形是坡地居多，甘蔗收獲機(jī)在收割甘蔗時(shí)需要調(diào)整割臺(tái)高度以確保收割的甘蔗高度合適；同時(shí)甘蔗種植地塊較小，甘蔗收獲機(jī)在收割時(shí)也需要時(shí)常調(diào)整收割方向。在甘蔗收割時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)調(diào)整割臺(tái)高度的同時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)向的工作情況。這種工況下對(duì)甘蔗收獲機(jī)的前輪油缸的要求要比普通的液壓油缸要求高。因?yàn)樽鳛楦收崾斋@機(jī)的核心液壓元件之一，前輪油缸在甘蔗收獲機(jī)調(diào)整割臺(tái)高度和轉(zhuǎn)向的工況下，既要承受甘蔗收獲機(jī)的重量，又要承受整車的轉(zhuǎn)向力。

前輪油缸安裝位置如圖1所示，油缸上方的活塞桿桿頭與車架連接，當(dāng)油缸做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞桿伸縮的過程便使車架實(shí)現(xiàn)高度的變化。油缸下方的銷軸與輪轂相連接，油缸的異形板與轉(zhuǎn)向油缸相連接，當(dāng)前輪油缸受到轉(zhuǎn)向力時(shí)，便由銷軸帶動(dòng)兩輪胎實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲機(jī)轉(zhuǎn)向的功能。

圖1 油缸在整機(jī)上的安裝位置

2 原因分析

前輪油缸是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸，油缸中活塞與活塞桿依靠尼龍鎖緊螺母連接鎖緊[1，2]，如圖2所示。當(dāng)甘蔗收獲機(jī)僅調(diào)整隔臺(tái)高度時(shí)，前輪油缸只需承受整機(jī)重力做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)即可，根據(jù)甘蔗收獲機(jī)的整機(jī)要求測(cè)算，前輪油缸是完全能夠滿足要求的。但是，由于甘蔗收獲機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)整隔套高度的同時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)向的工作情況。在該工況下，油缸的活塞桿固定不動(dòng)，缸筒與活塞桿相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，缸筒旋轉(zhuǎn)的力通過活塞上的導(dǎo)向環(huán)傳遞給活塞，使活塞獲得一個(gè)扭矩，從而使活塞與尼龍鎖緊螺母存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)活塞受到的扭矩比尼龍鎖緊螺母螺紋連接緊固的力大時(shí)，尼龍鎖緊螺母的螺紋連接會(huì)松動(dòng)，久而久之就會(huì)松脫。活塞與活塞桿變會(huì)失去螺紋連接鎖緊的力，活塞從活塞桿中脫出，導(dǎo)致油缸失效不能進(jìn)行作業(yè)。如圖3所示。

圖2 未失效的活塞、尼龍鎖緊螺母與活塞桿的狀態(tài)

圖3 失效的活塞、尼龍鎖緊螺母與活塞桿的狀態(tài)

3 改進(jìn)措施

（1）取消活塞與活塞桿的尼龍鎖緊螺母連接，更換成鎖緊螺母連接，并在活塞與活塞桿連接的鎖緊螺母中增加一個(gè)卡環(huán)防止螺紋松動(dòng)，該卡環(huán)是G形鋼絲卡環(huán)，直徑φ2.5 mm?？ōh(huán)的一端從鎖緊螺母中穿過插入活塞桿中，如圖4所示。增加G形卡環(huán)的措施使活塞與活塞桿螺紋連接的防松效果更好。將增加G形卡環(huán)的前輪油缸裝在甘蔗收獲機(jī)中進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試，前輪油缸發(fā)生活塞脫落的幾率變小了，即使發(fā)生了活塞脫落，甘蔗收獲機(jī)的工作時(shí)間也延長(zhǎng)至原來的2倍工作時(shí)間。這種改進(jìn)措施雖然有效，但并不能完全解決活塞脫落的故障，還需要制定其他的措施[3]。

圖4 G形卡環(huán)裝配后示意

（2）前輪油缸工作過程中，由于活塞桿是固定的，若在油缸整個(gè)工作過程中將活塞與活塞桿的相對(duì)位置保持固定不變，活塞便不會(huì)從活塞桿中脫落，造成油缸失效。根據(jù)這一想法，在活塞與活塞桿連接部位增加一個(gè)平鍵連接，如圖5所示。通過該平鍵，活塞與活塞桿就連接成一體。此時(shí)，活塞要想從活塞桿中脫落，必須克服鎖緊螺母的螺紋連接力及G形卡環(huán)的力，并破壞掉活塞與活塞桿之間的平鍵[4]。

圖5 G形卡環(huán)+平鍵裝配后示意

（3）當(dāng)甘蔗收獲機(jī)在割臺(tái)高度為最高時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，也就是前輪油缸活塞桿行程完全使用時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向的工況。前輪油缸的導(dǎo)向套與活塞的端面是接觸的，同時(shí)導(dǎo)向套隨著缸筒的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)，活塞仍可受到來自缸筒的轉(zhuǎn)向扭矩。雖然有了上述2點(diǎn)的改進(jìn)措施，活塞不至于從活塞桿中脫落，但是導(dǎo)向套與活塞接觸的端面會(huì)因缸筒的旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致磨損，磨損產(chǎn)生的鐵粉會(huì)污染油缸中的油液，從而造成油液清潔度差引起油缸失效，甚至整個(gè)液壓系統(tǒng)的失效。為避免此種情況發(fā)生，在油缸的活塞與導(dǎo)向套之間增加一個(gè)平面軸承，使缸筒的旋轉(zhuǎn)扭矩不能通過導(dǎo)向套傳遞給活塞，避免導(dǎo)向套與活塞的直接接觸，從而將活塞與導(dǎo)向套端面磨損的風(fēng)險(xiǎn)降低為零[5]。

4 改進(jìn)效果

改進(jìn)后的前輪油缸裝到甘蔗收獲機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證，經(jīng)過小批的試驗(yàn)，確認(rèn)油缸的改進(jìn)有效。小批驗(yàn)證通過后，前輪油缸進(jìn)行了大批量的改進(jìn)，通過2個(gè)24 h工作不停機(jī)的榨季驗(yàn)證，前輪油缸未再出現(xiàn)過任何一起故障反饋，該改進(jìn)將前輪油缸的問題反饋率從20%降低至0%，具體見表1。

表1 甘蔗收獲機(jī)前輪油缸改進(jìn)前后對(duì)比

5 結(jié)語

根據(jù)甘蔗收獲機(jī)的實(shí)際工況，對(duì)前輪油缸的活塞脫落故障進(jìn)行了詳細(xì)的分析以及優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的前輪油缸問題反饋率從20%降低至0%，更是獲得操作者的一致好評(píng)。鑒于該油缸的改進(jìn)效果優(yōu)異，將上述改進(jìn)方案應(yīng)用到了其它機(jī)型的前輪油缸中，提高了甘蔗收獲機(jī)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。