7LS7型采煤機液壓油缸的失效研究與改進

于 飛

（陽煤一礦掘二隊， 山西 陽泉 045000）

引言

7LS7型采煤機是我國煤礦企業常用的進口采煤機，具體參數如表1所示。在實際使用中，7LS7型采煤機的液壓油缸會經常出現導向套和缸筒因密封失效導致液壓油泄露、導向套的防塵圈出現破損發生液壓油泄露或者活塞桿的活塞端頭發生變形等故障，這些故障出現頻率極高，時常會導致采煤機停工維修，備件消耗速率極快，并且替換件的價格高、供貨周期長，對正常生產造成了嚴重的影響。

表1 7LS7型采煤機相關性能參數

1 液壓油缸的設計缺陷

圖1為7LS7型采煤機的內部結構圖。該機型的調高油缸設置在牽引部和搖臂的上部，屬于上置式布置。在調高油缸的周圍安設有伸縮式的異形甲板，可以保護油缸在進行往復運動時避免出現煤塊和矸石等落入油缸下部造成部件損壞[1-2]。圖2為調高油缸的內部結構圖。表2為調高油缸的相關參數。通過對采用7LS7型采煤機的煤礦進行調研，并對更換下來的調高油缸拆解分析得出7LS7型采煤機調高油缸故障率高與如下因素有關：油缸組裝時易損壞導向套的O形圈、導向套的設計寬度不足和活塞桿的實際荷載超出設計值。

1.1 導向套的O形圈易損壞

圖1 7LS7型采煤機的內部結構圖

圖2 調高油缸的內部結構圖（mm）

表2 調高油缸的相關參數

圖3 導向套和缸筒連接處結構圖

圖3 為導向套和缸筒連接處結構圖。該型號采煤機調高油缸的導向套與缸筒之間通過M380×P螺紋連接，依靠O形圈實現密封。在安裝導向套時，通過緩慢旋轉導向套使O形圈被壓入缸筒預留的合止口處。O形圈在進入預定的位置時需要被旋轉的導向套推著軸向移動A mm，在這個過程中O形圈也會在導向套的帶動下與缸筒之間做相對摩擦運動。O形圈在安裝過程中發生的摩擦移動距離S計算公式為：

式中：S為O形圈摩擦移動距離，mm；A為O形圈安裝過程中發生軸向移動的距離，mm，取15.5 mm；P為M380×P螺紋的螺距，mm，取6mm；R為M380×P螺紋的半徑，mm，取376 mm。將數據代入式（1）計算得，對于7LS7型采煤機液壓油缸的S為6103 mm，即在安裝過程中O形圈再摩擦旋轉6.1 m才能進入預設位置。由于螺紋的加工不可避免會存在一定的誤差，導致導向套筒與筒缸之間對應的螺紋存在同心度差等，使O形圈在安裝摩擦過程中出現扭曲、磨損和拉裂等破壞。再經過一段時間的使用，在安裝時已經發生損壞的O形圈就會出現密封失效，導致調高油缸內的液壓油發生泄漏。圖4為檢修時拆卸下來的O形圈實物圖，O形圈不規則的斷口證明在安裝時就已經發生破壞。

圖4 已破壞O形圈實物圖

1.2 導向套的設計寬度不足

圖5 為調高油缸的局部結構圖。活塞桿依靠安裝在調高油缸有桿側導向套內部的導向環實現導向的功能。在導向套的內部設有組合密封實現密封缸筒有桿腔。導向套的外側還設有防塵圈來阻擋活塞桿進行運動時帶入的灰塵等雜質，避免這些雜質破壞組合密封。因此，導向套必須設計有導向環、密封裝置和防塵圈等部件。如果導向套的設計寬度太大會使油缸的尺寸隨之增大，導致導向桿與活塞桿之間發生過多摩擦；若導向套的設計寬度不足又會使導向長度不足，而且在活塞桿全部伸出后的初始撓度增大，對調高油缸的穩定性相當不利。調高油缸的導向長度H應滿足如下公式：

圖5 調高油缸局部結構圖

式中：H為活塞支撐面中點與導向環滑動面中點之間的距離，mm；S為最大工作行程，mm，取1020 mm；D為調高缸筒的內徑，mm，取350 mm。將數據代入式（2）計算得，調高油缸的導向長度H至少應為226 mm，而7LS7型采煤機調高油缸的實際導向長度為120 mm，相對計算值嚴重偏小。活塞與導向套的寬度不足是調高油缸的導向長度不足的直接原因[3]。調高油缸的實際導向長度不足會使油缸在伸出過程不能很好的導向，從而活塞桿對防塵圈和組合密封造成擠壓，最終使其密封失效漏油。

1.3 活塞桿的彎曲承載力不足

若調高油缸的支撐長度（1318 mm）大于活塞桿半徑（87.5 mm）的10倍時，應對活塞桿的彎曲穩定性進行校核。根據調高油缸的實際工作特征，假定其受力在軸線上，通過如下公式進行驗算：

式中：Fz為作用在調高油缸上的許用軸向力，N；M為實際彈性模量，MPa，取1.8×105MPa；L為活塞桿截面的慣性距，m4，取4.63×10-6m4；δ為安全系數，取值范圍為3.5～6.0，取3.5；γ為液壓油缸的導向系數，通過查表取0.6587；Lz為調高油缸的支撐長度，m，取1.318 m。將數據代入式（3）計算得，作用在調高油缸上的許用軸向力Fz為3.118×106N。由于其為上置式調高油缸，因此在采煤機處于臥底狀態時，活塞桿會從油缸中全部伸出，此刻活塞桿處于彎曲穩定性最差的狀態。液壓系統的安全閥在活塞桿將要全部伸出時打開，此時油缸內的瞬間壓力快要達到安全閥溢流壓力35 MPa，這個時候調高油缸推力Ft的計算公式為：

式中：Ft為調高油缸推力，N；PM為安全閥溢流壓力，MPa，取35 MPa；r為調高油缸的缸筒大腔半徑，mm，取175 mm。經過計算可知，調高油缸推力Ft為3.3367×106N，大于作用在調高油缸上的許用軸向力Fz為3.118×106N，因此活塞桿會處于不穩定的狀態，一旦遇到工作面底板較為堅硬等惡劣環境時，極易引起活塞桿折斷。

2 改進優化

2.1 采用導向套分體設計

針對在安裝導向套時易損傷O形圈的缺陷，采用導向套分體設計，設計的結構如圖6所示。設計的分體式導向套的O形圈直接壓入缸筒內側預設的合止口處，通過外側的螺紋和8-M16×60螺釘進行固定，來避免在裝配的時候O形圈就已經被損壞的缺陷。

圖6 分體式導向套結構圖

2.2 擴大導向套

導向套因寬度不足造成活塞桿擠壓防塵圈和組合密封而漏油，但調高油缸所處的位置限制無法對牽引部與搖臂的連接關系進行改造。經過理論計算，只能對活塞桿連接頭后部進行改造。對于導向套增加10 mm的寬度，并把活塞桿連接頭后部桿直徑縮小10 mm。圖7為改進后的導向套。

2.3 降低溢流壓力

增加導向套寬度可以緩解由于抬高油缸大行程導致的活塞桿達到的失穩狀態，還可以增加活塞桿的桿徑來提高活塞桿的失穩臨界下限或者降低調高油缸溢流閥的安全溢流壓力來減小調高油缸推力到活塞桿的失穩臨界下限以下。但是若采用增加活塞桿直徑的方法會導致油缸小腔的推力減小。因此決定采用將調高油缸溢流閥的安全溢流壓力從35 MPa降至32 MPa來避免活塞桿出現失穩的問題。

圖7 改進后的導向套

3 現場應用

將經過改進的調高油缸安裝到某礦7LS7型采煤機上，在3個月的現場試驗期間，沒有出現因導向套和缸筒的密封失效導致液壓油泄露或者活塞桿的活塞端頭發生變形等故障。因此經過改進的調高油缸穩定可靠，用于密封的O形圈壽命有效延長，并且優化后的油缸未影響到采煤機的生產使用，基本達到了對7LS7型采煤機調高油缸的改進目標。

4 結論

經過采用導向套分體設計、擴大導向套和降低溢流壓力等改進優化之后的調高油缸在實際使用中未出現漏油的問題，彌補了原有設計的缺陷，降低了7LS7型采煤機調高油缸的維修成本。

[1]任飛.神東煤炭集團JOY7LS8大采高采煤機搖臂調高油缸損壞原因分析及改進措施[J].電子世界，2014（17）：11-14.

[2]李娟，辛致遠，馬宇航.大功率采煤機調高油缸斷裂原因分析和解決措施[J].煤礦機電，2013（3）：122-123.

[3]王興東，王澤鵬.井下矸石連續充填舊巷的機械化工藝[J].鐵法科技，2011（2）：11-16.