艾柯夫采煤機(jī)搖臂升降油缸的結(jié)構(gòu)和受力分析

王志強(qiáng)

摘 要：艾柯夫SL500采煤機(jī)搖臂升降油缸，工作環(huán)境惡劣，受力復(fù)雜，是采煤機(jī)割煤重要的部件之一。原進(jìn)口油缸活塞桿由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在問題，實(shí)際使用中曾多次發(fā)生斷裂，故障率較高。給公司生產(chǎn)帶來很大的損失。文章針對(duì)油缸活塞桿改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)狀況，分析了活塞桿與活塞頭連接處的結(jié)構(gòu)，密封以及受力情況，提出了解決方法。

關(guān)鍵詞：SL500采煤機(jī)；搖臂升降油缸；活塞和活塞桿；應(yīng)力集中；疲勞斷裂

1 前言

艾柯夫SL500采煤機(jī)是一個(gè)集機(jī)械、電氣和液壓系統(tǒng)為一體的大型復(fù)雜設(shè)備。工作環(huán)境非常惡劣，載荷變化很大，一些部位在工作中很容易發(fā)生過載，并且出現(xiàn)異常情況。若井下發(fā)生輕度的損傷情況，工作人員不易發(fā)現(xiàn)，設(shè)備帶病運(yùn)行。一旦采煤機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)，影響到生產(chǎn)情況時(shí)，將造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失，并且給我們維修單位造成了一定的壓力，因此，對(duì)SL500采煤機(jī)的故障進(jìn)行分析是十分必要的。采煤機(jī)發(fā)生故障率較高的部分是液壓系統(tǒng)和機(jī)械部分，根據(jù)實(shí)際工作情況和我多年的工作經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，采煤機(jī)的故障有70%以上是由液壓系統(tǒng)和機(jī)械部分引起的。液壓系統(tǒng)雖然有自動(dòng)調(diào)速等裝置進(jìn)行過載保護(hù)，但仍避免不了發(fā)生故障，且發(fā)生故障的原因和故障部位及相互關(guān)系也是非常復(fù)雜的，而液壓系統(tǒng)中搖臂升降油缸的故障也是非常明顯的，特別是活塞桿端部環(huán)行密封槽由于應(yīng)力集中而造成的疲勞斷裂。為此，我們對(duì)活塞桿端部受力狀況進(jìn)行了分析，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，取得了較好的效果。

本文簡(jiǎn)要地對(duì)活塞桿改造前后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝、受力情況進(jìn)行分析和比較，只是我對(duì)艾柯夫SL500采煤機(jī)的大修過程的一些粗淺的認(rèn)識(shí)。

2 油缸的結(jié)構(gòu)分析

艾柯夫SL500采煤機(jī)搖臂升降油缸是一個(gè)單缸雙作用活塞式液壓缸，安裝在采煤機(jī)底托架與搖臂座之間，兩端采用絞接銷結(jié)構(gòu)形式連接。工作環(huán)境惡劣，受力狀況復(fù)雜。

升降油缸主要由缸筒、缸蓋和活塞組件、閥組等組成。活塞組件由活塞、密封件、活塞桿和連接件等組成。活塞和活塞桿是活塞組件中的重要零部件，直接受到來自采煤機(jī)割煤時(shí)的外力的作用，很容易造成疲勞損壞（裂紋、斷裂）。

2.1 活塞與活塞桿的連接形式

如圖1所示，活塞與活塞桿的連接形式為螺紋連接，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，并有防松裝置。艾柯夫采煤機(jī)升降油缸在活塞和活塞桿連接上采用的防松方法是在活塞桿和活塞的螺紋連接處加工有兩個(gè)螺紋孔，用螺栓防松固定。

圖1

2.2 活塞與活塞桿之間的密封裝置

該密封裝置主要是用來防止活塞腔與活塞桿腔液壓油的串液。一般情況下，油缸對(duì)密封裝置的基本要求是具有良好的密封性能，并隨壓力的增加能自動(dòng)提高密封性。除此以外，要求其摩擦阻力小，耐油，抗腐蝕，耐磨，壽命長(zhǎng)，制造簡(jiǎn)單，拆裝方便。艾柯夫采煤機(jī)搖臂升降油缸活塞和活塞桿連接之間采用的是“O”型密封圈密封，“O”型密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封，其安裝方便，價(jià)格便宜，可在-40～120攝氏度的溫度范圍內(nèi)工作。因我們所用的艾柯夫采煤機(jī)主要是在井下工作，環(huán)境比較惡劣，運(yùn)動(dòng)阻力很大，如果單獨(dú)用“O”型密封圈做密封時(shí)，容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)損壞，故我們所用的搖臂升降油缸活塞和活塞桿連接之間所采用的密封裝置為“O”型密封圈，再加左右兩個(gè)尼龍擋圈，形成組合密封。（如圖2所示）

圖2

3 活塞和活塞桿間的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

3.1 改造前的密封結(jié)構(gòu)

活塞和活塞桿的連接部位的密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖3-1所示，在活塞桿的端部開了一個(gè)密封環(huán)行槽，這樣使得活塞桿在受到外部載荷作用時(shí)，在其幾何形狀突然變化處（環(huán)行槽）產(chǎn)生了應(yīng)力集中，從而影響了活塞桿端部的疲勞強(qiáng)度，在變應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生疲勞斷裂，如圖3和圖4所示

圖3 圖4

3.2 改造后的密封結(jié)構(gòu)

活塞和活塞桿的連接部位的密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖5所示，活塞和活塞桿之間的密封環(huán)行槽設(shè)計(jì)在了活塞的內(nèi)圈上，而活塞桿的端部改成了等截面的軸，這樣避免了受力不均而導(dǎo)致應(yīng)力集中的問題，并且也同樣起到了很好的密封效果。

3.3 密封結(jié)構(gòu)改造前后的比較

在活塞和活塞桿連接間的密封結(jié)構(gòu)改造后，減緩了由于活塞桿端部的幾何尺寸的突然變化而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，提高了零件的疲勞強(qiáng)度。

4 活塞桿端部結(jié)構(gòu)改造前由于設(shè)計(jì)缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中的分析

活塞桿在制造過程中，由于要求在環(huán)行槽內(nèi)安裝密封圈，因此，在切削過程中保留其銳角，如圖6所示，保留銳角提升了密封性能，同時(shí)也切斷了原活塞桿上的晶界線，使活塞桿密封環(huán)行槽處本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯著降低了。

圖5 圖6

在活塞桿加工完成后，需要進(jìn)行一系列的熱處理工藝來提高材料的綜合力學(xué)性能和滿足其使用過程中的各種要求，然而，由于密封環(huán)行槽處為直角，因此，在熱處理的過程中，合金在結(jié)晶，在轉(zhuǎn)角處，由于散熱方向所致，在轉(zhuǎn)角的分界線上形成了整齊的分界面，如圖7所示，使轉(zhuǎn)角處成為活塞桿的薄弱環(huán)節(jié)。

在載荷作用下，零件幾何形狀突然變化處（環(huán)行槽）產(chǎn)生了應(yīng)力集中，應(yīng)力較平均應(yīng)力大大增加，這也是活塞桿疲勞斷裂的主要原因，如圖8所示。

采煤機(jī)滾筒割煤時(shí)，遇到煤質(zhì)硬或夾矸時(shí)，滾筒就會(huì)受到很大的外力沖擊作用，這時(shí)煤壁會(huì)給滾筒一個(gè)向上的推力，此時(shí)搖臂升降油缸的活塞桿受到一個(gè)向外的拉力的沖擊，因此造成活塞桿頻繁受到?jīng)_擊載荷，導(dǎo)致其壽命減少，這也是導(dǎo)致活塞桿疲勞斷裂的原因之一。

5 對(duì)活塞桿改造前后進(jìn)行受力分析

5.1 對(duì)活塞桿改造前進(jìn)行受力分析

如圖9所示，已知，活塞受到的最大壓強(qiáng)P為40Mpa，活塞的直徑 D1為300mm，活塞桿改造前環(huán)行槽的直徑d為115mm，活塞桿受到的主要是軸向力，在這兒，只考慮活塞桿的軸向力，并且假設(shè)活塞桿在各個(gè)截面上受到的軸向力是均勻的、相同的。

則活塞受到的軸向力（即活塞桿受到的軸向力）：

改造前活塞桿環(huán)行槽所受到的軸向應(yīng)力為：

5.2 對(duì)活塞桿改造后進(jìn)行受力分析

如圖10所示，活塞桿改造前后的材料和外界載荷是一樣的，只是軸的直徑發(fā)生了變化，活塞桿改造后的直徑d'為123mm。

改造后活塞桿所受到的軸向應(yīng)力為：

5.3 對(duì)活塞桿改造前后進(jìn)行比較

由以上可知，？滓？芻？滓'

斷裂失效是指材料的完全斷裂，失效的載荷即為使活塞桿斷裂所承受的最大載荷。

下面從安全系數(shù)來對(duì)活塞桿改造前后進(jìn)行比較，安全系數(shù)n一般可定義為產(chǎn)生失效的載荷與估計(jì)的實(shí)際載荷之比，也可定義為材料的強(qiáng)度？滓b與最大計(jì)算應(yīng)力？滓之比。

即安全系數(shù)n=■，由以上可知？滓？芻？滓'，又知改造前后材料是不變的，即材料的強(qiáng)度一樣，所以，n？酆n'。

又知改造前后所承受的實(shí)際載荷是一樣的，所以，改造前活塞桿失效的載荷小于改造后的，即為使活塞桿斷裂的載荷，改造前小于改造后的，也就是說活塞桿改造前比改造后容易斷裂。

6 結(jié)束語

通過以上對(duì)艾柯夫SL500采煤機(jī)搖臂升降油缸的結(jié)構(gòu)和加工工藝的分析，從理論上，我對(duì)艾柯夫采煤機(jī)特別是搖臂升降油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝和在加工過程中對(duì)活塞桿造成的影響有了更深的了解，并且有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。特別是活塞桿端部改造前，在密封環(huán)行槽處，無論是在加工過程中，還是在受到載荷時(shí)，都會(huì)在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，這樣就減少了活塞桿的壽命，加速了活塞桿的疲勞斷裂。改造后，把密封環(huán)行槽設(shè)計(jì)在了活塞的內(nèi)圈上，這樣既起到了密封的效果，又避免了活塞桿在受到外界載荷作用時(shí)由于應(yīng)力集中而過早地造成疲勞斷裂。由于艾柯夫SL500采煤機(jī)是在井下非常惡劣的環(huán)境下工作，因此，對(duì)其結(jié)構(gòu)和材料等方面的要求是非常高的。

總之，通過這篇論文的分析，我深刻地體會(huì)到了，我以后要更進(jìn)一步地加深我的理論和實(shí)踐知識(shí)。對(duì)進(jìn)口設(shè)備，要結(jié)合在我公司的使用情況，不斷改進(jìn)，以適應(yīng)生產(chǎn)使用要求。通過對(duì)艾柯夫采煤機(jī)搖臂升降油缸的改進(jìn)、使用，要求我們對(duì)艾柯夫SL500采煤機(jī)其它部件進(jìn)行深一步地探索、研究，發(fā)現(xiàn)存在的問題，并解決。