卡爾瑪DCE型空箱堆高機(jī)轉(zhuǎn)向油缸損壞原因及改造措施

陳強(qiáng)

1 卡爾瑪DCE型空箱堆高機(jī)介紹

卡爾瑪DCE型空箱堆高機(jī)是由卡爾瑪司生產(chǎn)的專(zhuān)門(mén)用于空箱堆高作業(yè)的專(zhuān)業(yè)設(shè)備。該設(shè)備額定載荷為，可以進(jìn)行7～8層標(biāo)準(zhǔn)集裝箱高度的堆箱作業(yè)，目前廣泛應(yīng)用于我國(guó)各大港口和堆場(chǎng)。該款空箱堆高機(jī)是卡爾瑪公司在大型叉車(chē)底盤(pán)的基礎(chǔ)上針對(duì)空箱堆高作業(yè)的要求開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其在結(jié)構(gòu)上與大型叉車(chē)有許多相似之處，如兩者均采用前輪驅(qū)動(dòng)、后輪轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)方式。如圖1所示：空箱堆高機(jī)的轉(zhuǎn)向輪胎安裝在轉(zhuǎn)向輪轂上，轉(zhuǎn)向輪轂安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)上，通過(guò)雙作用轉(zhuǎn)向油缸的拉動(dòng)，轉(zhuǎn)向節(jié)可以在一定角度內(nèi)擺動(dòng)，從而帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向。在實(shí)際使用過(guò)程中，轉(zhuǎn)向油缸容易損壞，導(dǎo)致空箱堆高機(jī)無(wú)法轉(zhuǎn)向，存在一定安全隱患。

2 卡爾瑪DCE型空箱堆高機(jī)轉(zhuǎn)向油缸存在的問(wèn)題

2.1 轉(zhuǎn)向油缸結(jié)構(gòu)及控制原理

如圖2所示，空箱堆高機(jī)采用的雙作用轉(zhuǎn)向油缸主要由缸筒、活塞桿、左右缸頭及各種相應(yīng)的密封件組成。與一般的轉(zhuǎn)向油缸不同的是：該轉(zhuǎn)向油缸的缸頭不是采用常見(jiàn)的法蘭螺栓固定的，而是采用大卡簧來(lái)防止缸頭跑出，同時(shí)用端蓋和端蓋螺栓拉住缸頭，防止缸頭往里竄動(dòng)。

轉(zhuǎn)向油缸的動(dòng)作由液壓系統(tǒng)控制，其控制原理如圖3所示：油缸的壓力由液壓泵提供，油缸的動(dòng)作方向通過(guò)方向機(jī)切換；同時(shí)，在控制系統(tǒng)中裝有溢流閥，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力不超過(guò)。當(dāng)然，實(shí)際上空箱堆高機(jī)的轉(zhuǎn)向液壓控制系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有這么簡(jiǎn)單，另外還需要一套比較復(fù)雜的控制閥來(lái)合理調(diào)配轉(zhuǎn)向動(dòng)作、剎車(chē)、吊具動(dòng)作等的供油順序，以確保轉(zhuǎn)向優(yōu)先功能的實(shí)現(xiàn)。

2.2 轉(zhuǎn)向油缸存在的問(wèn)題

在實(shí)際使用過(guò)程中，空箱堆高機(jī)的轉(zhuǎn)向油缸容易發(fā)生故障的主要部位為圖2中的A，B，C處。A處是轉(zhuǎn)向油缸缸頭的卡簧槽位置，常見(jiàn)的故障表現(xiàn)為卡簧槽母材整圈開(kāi)裂、卡簧失效、油缸缸頭從缸筒里脫出、轉(zhuǎn)向油缸無(wú)法動(dòng)作等，該位置是轉(zhuǎn)向油缸最容易出現(xiàn)問(wèn)題的部位；B處是轉(zhuǎn)向油缸缸筒的拼接焊縫，在使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生焊縫開(kāi)裂、油缸缸筒脫開(kāi)并噴油的現(xiàn)象；C處是轉(zhuǎn)向油缸的固定螺栓，在使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生油缸固定螺栓松動(dòng)或被剪斷的現(xiàn)象。

根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)向油缸故障的統(tǒng)計(jì)分析，絕大多數(shù)油缸發(fā)生故障時(shí)轉(zhuǎn)向輪都處在“死方向”位置，因此，初步判斷司機(jī)打“死方向”是造成油缸損壞的重要原因。

2.3 轉(zhuǎn)向油缸受力計(jì)算及損壞原因

根據(jù)測(cè)量，轉(zhuǎn)向油缸的缸筒內(nèi)徑為，活塞桿直徑為，據(jù)此計(jì)算出油缸動(dòng)作時(shí)液壓受力面積為2。當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸處于“死方向”時(shí)，油缸內(nèi)的液壓壓力（）就是溢流閥開(kāi)啟的壓力（/cm2），據(jù)此可以計(jì)算出油缸打“死方向”時(shí)油缸活塞桿的推力約為。另外，由于液壓系統(tǒng)中的溢流閥需要一定響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸運(yùn)行到極限位置時(shí)的瞬間壓力會(huì)比溢流閥的工作壓力大許多。根據(jù)壓力測(cè)試，在溢流閥起作用前的瞬間，液壓壓力可以達(dá)到以上，即轉(zhuǎn)向油缸的最大推力瞬間可以達(dá)到左右。

鑒于此，廠家對(duì)空箱堆高機(jī)轉(zhuǎn)向極限位置定位方式的設(shè)計(jì)與一般的小型叉車(chē)有所不同：小型叉車(chē)一般在轉(zhuǎn)向橋左右兩邊各安裝一塊機(jī)械擋塊或一套可調(diào)節(jié)的定位螺栓來(lái)抵住轉(zhuǎn)向節(jié)，從而控制轉(zhuǎn)向節(jié)的可轉(zhuǎn)動(dòng)角度；而空箱堆高機(jī)若采用這種方式，則可能因轉(zhuǎn)向油缸推力太大造成轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)連接板及其他部件（如連接銷(xiāo)等）受損或變形，在長(zhǎng)時(shí)間的使用下，會(huì)導(dǎo)致油缸活塞桿變形，因此，空箱堆高機(jī)的“死方向”位置是靠轉(zhuǎn)向油缸自身來(lái)定位的。轉(zhuǎn)向油缸的“死方向”角度由圖2中安裝在活塞桿上的行程定位套控制。當(dāng)空箱堆高機(jī)的轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度后，轉(zhuǎn)向油缸里的行程定位套頂住缸頭，活塞桿無(wú)法繼續(xù)動(dòng)作，轉(zhuǎn)向輪就處于“死方向”位置。該設(shè)計(jì)方式可以有效避免轉(zhuǎn)向節(jié)等重要部件受力過(guò)大，但轉(zhuǎn)向油缸缸筒本身會(huì)受到較大沖擊力。當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸處于極限位置時(shí)，活塞桿行程定位套頂住缸頭，活塞桿的推力全部作用在油缸上，油缸上的焊縫、缸頭卡簧槽及油缸固定螺栓都會(huì)受到非常大的作用力。不過(guò)，轉(zhuǎn)向油缸的推力并不會(huì)立即導(dǎo)致油缸損壞，根據(jù)計(jì)算，油缸重要部位的承受能力均大幅超過(guò)油缸推力。

2.3.1 轉(zhuǎn)向油缸固定螺栓剪切力計(jì)算

轉(zhuǎn)向油缸固定螺栓采用M20的10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，根據(jù)相關(guān)資料，其極限剪切應(yīng)力至少為，那么，單枚油缸固定螺栓的極限抗剪切力為。轉(zhuǎn)向油缸為雙作用油缸，缸筒上共有4枚固定螺栓，左右兩側(cè)各2枚。當(dāng)油缸工作時(shí)，兩側(cè)螺栓受到的剪切力方向相反；因此，單側(cè)2枚螺栓共同承受油缸的推力，即平均單枚固定螺栓承受的剪切力，不到螺栓極限抗剪切力的1/3。

2.3.2 缸筒卡簧槽強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)油缸卡簧槽尺寸（見(jiàn)圖4），按油缸缸筒材料為45號(hào)鋼、許用剪切應(yīng)力為計(jì)算，得到缸筒卡簧槽的許用應(yīng)力為，約，是油缸最大推力的2.6倍。

2.3.3 轉(zhuǎn)向油缸損壞原因

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，無(wú)論是轉(zhuǎn)向油缸的固定螺栓還是卡簧槽部位，其強(qiáng)度均能承受油缸推力，正常使用下的油缸不會(huì)因此而受損。造成轉(zhuǎn)向油缸損壞的真正原因是空箱堆高機(jī)司機(jī)長(zhǎng)期進(jìn)行“死方向”操作，導(dǎo)致油缸活塞桿對(duì)油缸缸筒產(chǎn)生高強(qiáng)度和高頻率沖擊，造成缸筒和固定螺栓產(chǎn)生金屬疲勞。

在空箱堆高機(jī)司機(jī)打“死方向”行車(chē)的過(guò)程中，受場(chǎng)地路面平整度及輪胎花紋形狀等因素的影響，輪胎每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，油缸缸筒受到的沖擊次數(shù)達(dá)幾十次。如圖5所示，空箱堆高機(jī)一般采用塊狀橫向深花紋工程輪胎，這種輪胎花紋可以產(chǎn)生較大的切向彈性變形，增加輪胎抓地力，防止輪胎切向打滑；此外，這種輪胎花紋還能產(chǎn)生一定橫向彈性變形，防止輪胎橫向側(cè)滑。以某國(guó)產(chǎn)品牌輪胎為例，該輪胎有30格花紋，在不考慮地面不平等因素造成輪胎橫向受力的情況下，輪胎在“死方向”狀態(tài)下每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，會(huì)受到30次橫向反作用力來(lái)使輪胎擺脫“死方向”狀態(tài)。輪胎反作用力造成轉(zhuǎn)向油缸推力出現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)，從而使缸筒因受到較大循環(huán)應(yīng)力而出現(xiàn)金屬疲勞。

空箱堆高機(jī)輪胎直徑為左右，據(jù)此計(jì)算，空箱堆高機(jī)每行走，輪胎對(duì)轉(zhuǎn)向油缸造成8.3次反作用力；若考慮地面不平造成的影響，則轉(zhuǎn)向油缸所受反作用力的次數(shù)更多。在卸船堆箱作業(yè)中，司機(jī)（尤其是新司機(jī)）頻繁采用打“死方向”的方式來(lái)調(diào)整集裝箱堆放角度，堆放1個(gè)集裝箱需要調(diào)整數(shù)次。若平均每臺(tái)空箱堆高機(jī)年作業(yè)量10萬(wàn)箱以上， 按卸船作業(yè)量5萬(wàn)箱、每個(gè)集裝箱打“死方向”行走計(jì)算，轉(zhuǎn)向油缸缸筒受到的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)高達(dá)125萬(wàn)次。由此可見(jiàn)，空箱堆高機(jī)司機(jī)打“死方向”作業(yè)是造成轉(zhuǎn)向油缸缸筒材料金屬疲勞的主要原因。

3 卡爾瑪DCE型空箱堆高機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改造

3.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓油路改造

轉(zhuǎn)向油缸缸筒材料金屬零件疲勞周期的主要影響因素為：（1）零件本身存在設(shè)計(jì)及加工缺陷，如裂紋、沙眼等導(dǎo)致零件在使用過(guò)程中存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象；（2）零件在使用過(guò)程中承受較大循環(huán)應(yīng)力，其承受的最大循環(huán)應(yīng)力越大，零件斷裂循環(huán)次數(shù)越小。具體來(lái)看，零件在加工中存在的問(wèn)題難以控制，受制于場(chǎng)地條件、操作習(xí)慣等，空箱堆高機(jī)司機(jī)頻繁打“死方向”的問(wèn)題在短時(shí)間內(nèi)也難以改善，而空箱堆高機(jī)打“死方向”時(shí)油缸所承受的最大循環(huán)應(yīng)力則是較易改變的。

如前文所述，當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸動(dòng)作到極限位置時(shí)，油缸受到的最大壓力來(lái)源于液壓系統(tǒng)持續(xù)上升的液壓壓力；如果在油缸動(dòng)作到極限位置前切斷液壓油供給，則油缸承受的壓力取決于油缸活塞桿的負(fù)載。根據(jù)測(cè)量，轉(zhuǎn)向油缸在動(dòng)作至極限位置前內(nèi)部的液壓壓力不到，約為打“死方向”后極限壓力的1/3。這意味著，在同樣的使用條件下，若在油缸動(dòng)作到極限位置前切斷液壓油供給，油缸的疲勞周期大約能延長(zhǎng)3倍。

為控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓壓力，在方向機(jī)與轉(zhuǎn)向油缸之間加裝2個(gè)電磁阻斷閥（見(jiàn)圖6）。當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸向右側(cè)動(dòng)作至接近極限位置時(shí)，右側(cè)感應(yīng)限位器檢測(cè)到油缸位置，導(dǎo)通繼電器，使左側(cè)電磁阻斷閥切換到單向閥側(cè)，從而切斷方向機(jī)對(duì)油缸的供油；由于液壓油無(wú)法繼續(xù)流通，液壓系統(tǒng)提高的壓力由溢流閥卸去，此時(shí)，方向盤(pán)變重，司機(jī)感覺(jué)已經(jīng)打到“死方向”位置；由于電磁阻斷閥為單向閥結(jié)構(gòu)，當(dāng)司機(jī)反轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí)，油缸可以從另一側(cè)正常供油，司機(jī)在操作上的感覺(jué)與改造前基本沒(méi)有區(qū)別。

3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電氣線路改造

控制轉(zhuǎn)向油缸油路的電磁阻斷閥由安裝在油缸兩側(cè)的行程傳感器控制（見(jiàn)圖7）：當(dāng)油缸向左側(cè)移動(dòng)到行程傳感器位置時(shí)，傳感器信號(hào)輸出到繼電器，使右側(cè)電磁阻斷閥線圈得電，切斷油缸供油。行程傳感器在使用過(guò)程中可能出現(xiàn)信號(hào)線常帶電故障，導(dǎo)致該傳感器控制的電磁阻斷閥線圈常帶電，使得向該側(cè)的方向動(dòng)作無(wú)法進(jìn)行，存在一定安全隱患。為降低此故障發(fā)生概率，在轉(zhuǎn)向油缸左右兩側(cè)各安裝2個(gè)行程傳感器，相互間采用串聯(lián)連接方式，即一個(gè)傳感器的信號(hào)輸出線作為另一個(gè)傳感器的電源線，只有2個(gè)傳感器同時(shí)感應(yīng)到繼電器才會(huì)動(dòng)作。2個(gè)傳感器同時(shí)出現(xiàn)信號(hào)線常帶電故障的概率極低，從而有效降低方向被意外鎖死的概率。轉(zhuǎn)向油缸行程傳感器和電磁阻斷閥安裝如圖8所示。

4 卡爾瑪DCE型空箱堆高機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改造效果及升級(jí)

4.1 改造效果及缺陷

對(duì)1臺(tái)空箱堆高機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向油缸液壓阻斷閥改裝試驗(yàn)并對(duì)改裝效果進(jìn)行跟蹤。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改造有效避免轉(zhuǎn)向油缸在極限位置的使用，使轉(zhuǎn)向油缸缸筒及固定螺栓受到的最大載荷力減小，從而對(duì)轉(zhuǎn)向油缸起到良好的保護(hù)作用。

不過(guò)，該改造對(duì)液壓元件造成一定沖擊力，因?yàn)樗緳C(jī)在操作方向盤(pán)時(shí)是以相對(duì)平緩的速度打到“死方向”位置的，系統(tǒng)的最大壓力以相對(duì)緩慢的速度提升；而液壓阻斷閥的切換速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于司機(jī)的操作速度，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓壓力會(huì)在瞬間達(dá)到較高值，從而對(duì)方向機(jī)、液壓油管及阻斷閥形成一定沖擊力，可能導(dǎo)致這些液壓元件的使用壽命縮短。

此外，改造加裝的電磁阻斷閥采用模擬電路控制，其長(zhǎng)期使用的可靠性有待提升。雖然2個(gè)行程傳感器串聯(lián)控制繼電器的方式可以有效避免因其中一個(gè)傳感器短路而引發(fā)故障，但2個(gè)傳感器同時(shí)短路通電難以避免。另外，這套系統(tǒng)無(wú)法避免因繼電器線圈短路等引發(fā)故障。

4.2 改造升級(jí)

4.2.1 減少液壓元件受到的沖擊

導(dǎo)致液壓元件受到?jīng)_擊的主要原因是加裝的電磁阻斷閥切換速度過(guò)快，使液壓系統(tǒng)的壓力在短時(shí)間內(nèi)上升到峰值，若降低電磁阻斷閥的切換速度便能解決該問(wèn)題。當(dāng)前使用的電磁阻斷閥屬于開(kāi)關(guān)型電磁阻斷閥，即閥芯只有完全切斷或完全打開(kāi)2個(gè)狀態(tài)，無(wú)法精細(xì)地控制閥芯的開(kāi)度和切換速度。要實(shí)現(xiàn)閥芯切換速度的變化，可以選用比例電磁阻斷閥，其可以通過(guò)控制線圈電流的大小實(shí)現(xiàn)閥芯開(kāi)度的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸動(dòng)作到極限位置時(shí)，逐漸增加電磁阻斷閥線圈的電流，閥芯的開(kāi)度也由小變大，從而使系統(tǒng)壓力的上升速度得到有效控制。電流變化的速度需要根據(jù)實(shí)際情況反復(fù)調(diào)試來(lái)確定。

4.2.2 升級(jí)電氣控制系統(tǒng)

改造采用的模擬電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，無(wú)法很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)比例電磁阻斷閥的控制，因此，需要在電氣控制系統(tǒng)內(nèi)增加可編程控制模塊。

如圖9所示，比例電磁阻斷閥控制模塊主要具有以下功能：（1）接收左右兩側(cè)行程傳感器的位置信息，數(shù)字電路的應(yīng)用不再需要將2個(gè)行程傳感器進(jìn)行串聯(lián)控制，行程傳感器的可靠性得到大幅提升；（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)比例電磁阻斷閥的變電流控制，并通過(guò)修改程序設(shè)定的時(shí)間和電流值，對(duì)控制效果進(jìn)行精細(xì)調(diào)整；（3）將控制系統(tǒng)中的故障以代碼的方式輸出到顯示屏，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障排除和維修。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2016-06-22）