油缸活塞桿螺紋滑絲的理論分析

摘要：針對車廂可卸式垃圾車拉臂油缸滑絲的故障現象，結合其負載工況，分析了故障可能產生的原因，對螺紋強度進行了校核，并提出針對性的改進措施，優化了螺紋尺寸。

關鍵詞：拉臂油缸；滑絲；螺紋強度

中圖分類號：U469.6 收稿日期：2022-11-24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.03.015

1 前言

車廂可卸式垃圾車主要用于各環衛市政及大型廠礦部門運載各種垃圾，亦可運輸灰、砂、石、土等散裝建筑材料，也可以在礦山或煤礦中運送礦石或煤。該垃圾車的工作系統主要由拉臂裝置和液壓系統組成，可實現裝廂、卸廂和卸料等動作。拉臂油缸為整個動作過程中的核心受力元件，活塞桿與桿頭耳環常采用螺紋連接，其連接的可靠性將直接影響整車的工作性能和安全性能。

2 故障現象及分析

據反饋，車廂可卸式垃圾車故障現象出現在裝廂過程中，一側拉臂油缸的活塞桿滑絲，如圖1 所示，桿頭耳環完全從活塞桿脫出，致使箱體掉落，存在嚴重的安全隱患。此故障無法修復，只能更換整套油缸或油缸活塞桿總成，成本很高，且操作困難。

從拆下的故障件發現：活塞桿端的螺紋基本磨平，靠近鎖緊螺母處螺紋磨損更嚴重；耳環端的螺紋也都基本失效，外部螺紋磨損更嚴重，底部銹屑較多。從失效形式來看，基本屬于滑絲失效。

滑絲即是螺紋連接件中，螺牙連接處由于受力過大或其他原因導致螺牙磨損而使螺牙無法咬合，螺紋連接無法擰緊的情況。從物理學角度分析螺紋“滑絲”，不外乎有這樣幾種原因：a. 用力過猛或過偏；b. 器件磨損過大；c. 材料質量太差。從故障件的情況來看，不存在螺牙齊根斷裂的情況，可排除負載過猛一次剪斷；內外螺紋上都存在磨損碎屑，應該屬于疲勞磨損過度導致無法咬合。

從拉臂油缸實際工況分析：在裝廂過程中，活塞桿縮回，箱體從地面被拉到拉臂裝置上的過程中，活塞桿螺紋受到拉力，箱體再下落到拉臂架上時，活塞桿螺紋受到擠壓力；在卸廂過程中剛好相反，活塞桿伸出，活塞桿螺紋先受擠壓力再受拉力；在卸料過程中，活塞桿伸出，因箱體只舉升不落地，活塞桿螺紋只受擠壓力。從實際工況可以看出，拉臂油缸的負載為交變負載，容易產生疲勞磨損。

3 強度校核計算

3.1 油缸尺寸及相關數據

依據工作情況，液壓系統壓力P=25 MPa，拉臂油缸的缸徑D=140 mm，桿徑d=70 mm，活塞桿螺紋M60×2，螺紋外徑d0=60 mm，螺紋小徑d1=57.84 mm，螺紋中徑d2=58.7 mm，螺距s=2 mm，旋合圈數z=20，c 材質45#調質。內外螺紋材料相同，只校核外螺紋牙的強度。

在螺紋強度校核過程中，相關的許用應力按如下關系選取［1］：

3.2 螺紋副抗擠壓強度計算

把外螺紋牙展開后將其視為一根懸臂梁［2］，其展開受力示意如圖2 所示。螺紋牙承受沿螺紋軸向的載荷力F，根據集中力的原則，則力的作用點位于螺紋牙中徑。擠壓壓力不應超過許用抗擠壓強度，驗算公式為：

式中，σp 為擠壓應力，MPa；[σ ] p 為材料許用擠壓應力，MPa，h 為螺紋牙高，mm。

根據設計數據，可求得：

螺紋副擠壓強度安全系數Np=556.67/129.09=4.01。

3.3 螺紋副抗彎曲強度計算

根據螺紋牙展開受力示意圖，抗彎曲強度驗算公式為：

式中，σb 為彎曲應力，MPa；[σ ] b 為材料許用彎曲應力，MPa。

根據設計數據，可求得：

螺紋副抗彎曲強度不滿足要求。

3.4 螺紋副抗剪切強度計算

根據螺紋牙展開受力示意圖，抗剪切強度驗算公式為：

式中，τ 為剪切應力，MPa；[ τ ] 為材料許用剪切應力，MPa。

根據設計數據，可求得：

螺紋副剪切強度安全系數Np=278.33/94.56=2.94。

3.5 螺紋副抗拉強度計算

根據第四強度理論［2］，活塞桿與耳環連接螺紋強度可按下式核算：

式中，σ拉為拉應力，MPa；τ 為剪切應力，MPa；K 為螺紋連接摩擦因數，一般取0.07。

根據設計數據，可求得：

螺紋副拉伸強度安全系數N 拉=258.33/153.74=1.68。

3.6 螺紋第一圈強度計算

活塞拉力幾乎有40% 作用在第一圈螺紋上，所以第一圈螺紋應力按下式計算：

根據設計數據，可求得：

螺紋副第一圈強度不滿足要求。

3.7 校核結論

從3.3、3.6 的校核結果來看，螺紋副的抗彎強度和第一圈強度不滿足要求，導致螺紋在工作過程中疲勞失效，需要對螺紋副進行加強。

4 改進措施

因拉臂油缸的負載不變，可增加螺紋的尺寸，把塞桿螺紋M60×2 改為M64×3，螺紋外徑d0=64 mm，螺紋小徑d1=60.75 mm，螺紋中徑d2=62.05 mm，螺距s=3 mm，旋合圈數z=15。

5 結語

車廂可卸式垃圾車屬于起重設備，拉臂油缸作為核心受力元件，需要根據負載情況進行詳細校核強度，提高油缸的可靠性和整車的安全性，減少故障率，降低維修成本，提高設備利用率。

參考文獻：

［1］梁勇，史磊，解成林油缸螺紋導向套強度分析［J］河南科技，2015（2）：21-23

［2］成大先機械設計手冊［M］北京：化學工業出版社，2008.

［3］王益群，高殿榮液壓工程師技術手冊［M］北京：化學工業出版社，2009.

作者簡介：

唐明忠，男，1963 年生，高級工程師，研究方向為客車整車設計與工藝。