液壓油缸的失效形式及改進方案

盧焯權

摘要：近年來，我國的工業化進程有了很大進展，對液壓油缸的應用也越來越廣泛。液壓油缸可將液壓能轉變為機械能，是做直線往復運動（或擺線運動）的液壓執行元件。針對液壓油缸的常見失效形式進行描述，分析引起失效的主要原因，并提出經過實際工況驗證可行的改進方案，以延長液壓油缸的使用壽命、提高可靠性和安全性。

關鍵詞：液壓油缸;失效形式;改進方案

引言

液壓缸具有工作壓力高、流量大、功率密度大等優點，普遍應用于工業領域。部分液壓缸在工作時表現出故障模式多樣、壽命短等特點，因此針對液壓缸開展可靠性試驗并進行壽命評估，對提高液壓缸的性能和壽命具有重要意義。以煙草專用機械液壓缸為對象，對活塞桿進行了可靠度設計分析，并以活塞桿為研究對象，針對其斷裂現象，進行了斷裂失效機理分析研究。

1當前液壓油缸行業技術水平

液壓傳動工作中的推進油缸是把液壓油的壓力能轉換為機械能的執行機構，它主要依靠液壓油在油缸中的流動方向變化，推動油缸中的活塞，使活塞按一定的速度和推力完成某一項機械運動。組成油缸的主要零件有缸體、活塞、密封環、活塞桿、導向套、壓蓋和端板等。單活塞油缸在液壓傳動工作中應用最多。它的工作特點是：當在活塞兩側腔內分別輸入相同流量的液壓油時，活塞運動往復速度不相等;如果輸入活塞兩側液壓油的壓力相等，則活塞往復運動產生的軸向推力不相等，這主要是因為活塞一側有活塞桿的存在，使活塞兩側空腔的有效容積不相等導致的。在液壓傳動領域中，由于液壓油缸結構的特殊性，無論是國內或者國外油缸廠家的產品，推進油缸的活塞桿伸出均會發生自旋。目前的技術仍未能解決活塞桿自旋的問題，這也是目前國內外所有推進油缸的共性問題。造成此類問題的主要原因是油缸中的活塞桿為圓形，而且活塞桿與缸體之間采用O形圈密封，導致無法直接利用活塞桿進行截面形狀的導向或限位。

2液壓缸失效機理分析

液壓缸磨損主要包括磨粒磨損、疲勞磨損和黏著磨損，其中，磨粒磨損、疲勞磨損可以由Archard模型求解：

V=KFL/（3H）（1）

式中：V為摩擦副軟材料磨損體積;K為磨損系數;F為法向載荷;L為磨損行程;H為軟材料維氏硬度。以液壓缸缸筒/活塞密封摩擦副為例，活塞密封由支撐環、擋圈、動密封等非金屬元件構成。由式（1）可知活塞密封材料的磨損量與加載法向壓力、行程成正比，與自身硬度成反比，從而可以得知，當活塞密封元件工作到一定時間后會造成液壓缸泄漏，導致液壓缸部分功能失效。液壓缸疲勞失效模式中，缸體疲勞是最常見的模式之一，其中尤以缸體開裂最為嚴重。缸體疲勞裂紋最開始一般出現在圓角表面，然后逐漸延展到材料內部，最終導致裂紋處漏油。目前關于疲勞斷裂的問題仍廣泛采用材料力學的方法，其中實際中估算疲勞壽命時經常采用Basquin公式：

SkaNf=C（2）

式中：Sa為應力幅值;Nf為疲勞壽命;k、C均為材料常數。以液壓缸缸筒為例，其所受載荷主要為脈沖循環應力，由式（2）可以預測液壓缸缸筒在低應力高周階段的疲勞壽命。

3液壓油缸改進方案

3.1活塞頭密封裝反

液壓油缸的活塞密封為上、下兩個Y型密封，兩個密封對稱安裝，分別承受上、下腔不同的工作壓力，Y密封因開口角度較小，安裝時朝向不易判斷，在安裝過程中極易朝同一個方向安裝，出現油缸修后活塞桿動作緩慢，甚至不能動作的現象。處理方法：在活塞密封進行安裝時，應首先檢查活塞密封規格型號是否正確，確認無誤后，再找準密封的開口朝向，做好相關標記。在安裝過程中技術人員要隨時多次檢查，確保上、下兩個密封呈對稱安裝，且安裝位置到位。此安裝過程要求技術人員隨時進行過程監督把控，最后完成安裝后，再次復查核對確保無誤。

3.2液壓缸液動力

液壓油在液壓缸內流動以及流進、流出液壓缸時會對液壓缸缸體、活塞和活塞桿產生作用力，因此采用液動力的概念對這個作用力進行分析。液動力（又稱伯努利力）分為穩態液動力和瞬態液動力。穩態液動力是指液壓閥閥口處于一定開度并且通過閥口的流量恒定時，因流進或流出閥口的流體流速的大小及方向發生變化而產生的作用于閥芯上的反作用力。瞬態液動力是指閥口打開或關閉過程中，通過閥口的流量發生變化時，流體作用在閥芯上的力，即使閥腔內的流體加速或減速的反力。瞬態液動力在普通結構的滑閥中數值不大，通常可以忽略不計。將液壓缸的有桿腔類比成一個液壓閥，液壓缸的缸體是固定的，相當于閥體;活塞和活塞桿是運動的，相當于閥芯。當液壓缸伸出時，無桿腔的液壓油推動活塞運動，相當于液壓油從活塞處流入無桿腔，然后從有桿腔的油口流出。液壓閥的閥口一般設計為對稱結構，徑向液動力可以相互抵消。但液壓缸的結構不一樣，有桿腔一般只有一個油口（相當于閥口），因此徑向液動力方向與有桿腔油口軸線重合并朝向活塞桿。活塞桿由于自身及活塞、撐靴重力的作用，其軸線會與缸體軸線偏離，而推進油缸因為在盾體內周向一圈布置，其有桿腔油口朝向是變化的，當有桿腔油口軸線與活塞桿軸線沒有相交時，徑向液動力便會使活塞桿產生轉動。

4液壓缸壽命評估

從同一批次某型號國產液壓缸中隨機選取10件作為被試樣本，有桿腔和無桿腔加載壓力分別為20MPa和10MPa，液壓缸活塞桿運行速度為200mm/s（液壓缸設計的最高速度），單次試驗連續進行8h以上。當試驗過程中出現內泄漏量增大、活塞斷裂、缸體變形等試驗現象時試驗中止并記錄相應數據。試驗結束后，對液壓缸進行拆檢和失效機理分析。

結語

綜上所述，基于新方案在撐靴上增加了導向桿，并通過推進油缸伸縮試運行，進一步驗證了新方案的可行性。新方案相比于現有解決辦法更加簡單有效，對提高煙草專用機械液壓油缸工作效率具有實際應用意義，同時為相關液壓油缸產品設計、解決推進油缸防扭措施提供了參考。雖然復雜環境下液壓缸的壽命數據呈現不同的失效機理，但仍然能夠用威布爾分布來擬合其壽命數據。

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