艾柯夫采煤机摇臂升降油缸的结构和受力分析

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摘 要：艾柯夫SL500采煤机摇臂升降油缸，工作环境恶劣，受力复杂，是采煤机割煤重要的部件之一。原进口油缸活塞杆由于设计结构存在问题，实际使用中曾多次发生断裂，故障率较高。给公司生产带来很大的损失。文章针对油缸活塞杆改进前后的结构状况，分析了活塞杆与活塞头连接处的结构，密封以及受力情况，提出了解决方法。

关键词：SL500采煤机；摇臂升降油缸；活塞和活塞杆；应力集中；疲劳断裂

1 前言

艾柯夫SL500采煤机是一个集机械、电气和液压系统为一体的大型复杂设备。工作环境非常恶劣，载荷变化很大，一些部位在工作中很容易发生过载，并且出现异常情况。若井下发生轻度的损伤情况，工作人员不易发现，设备带病运行。一旦采煤机不能运转，影响到生产情况时，将造成了很大的经济损失，并且给我们维修单位造成了一定的压力，因此，对SL500采煤机的故障进行分析是十分必要的。采煤机发生故障率较高的部分是液压系统和机械部分，根据实际工作情况和我多年的工作经验证实，采煤机的故障有70%以上是由液压系统和机械部分引起的。液压系统虽然有自动调速等装置进行过载保护，但仍避免不了发生故障，且发生故障的原因和故障部位及相互关系也是非常复杂的，而液压系统中摇臂升降油缸的故障也是非常明显的，特别是活塞杆端部环行密封槽由于应力集中而造成的疲劳断裂。为此，我们对活塞杆端部受力状况进行了分析，对原有结构进行了改进，取得了较好的效果。

本文简要地对活塞杆改造前后的结构设计、加工工艺、受力情况进行分析和比较，只是我对艾柯夫SL500采煤机的大修过程的一些粗浅的认识。

2 油缸的结构分析

艾柯夫SL500采煤机摇臂升降油缸是一个单缸双作用活塞式液压缸，安装在采煤机底托架与摇臂座之间，两端采用绞接销结构形式连接。工作环境恶劣，受力状况复杂。

升降油缸主要由缸筒、缸盖和活塞组件、阀组等组成。活塞组件由活塞、密封件、活塞杆和连接件等组成。活塞和活塞杆是活塞组件中的重要零部件，直接受到来自采煤机割煤时的外力的作用，很容易造成疲劳损坏（裂纹、断裂）。

2.1 活塞与活塞杆的连接形式

如图1所示，活塞与活塞杆的连接形式为螺纹连接，其结构简单，装拆方便，并有防松装置。艾柯夫采煤机升降油缸在活塞和活塞杆连接上采用的防松方法是在活塞杆和活塞的螺纹连接处加工有两个螺纹孔，用螺栓防松固定。

图1

2.2 活塞与活塞杆之间的密封装置

该密封装置主要是用来防止活塞腔与活塞杆腔液压油的串液。一般情况下，油缸对密封装置的基本要求是具有良好的密封性能，并随压力的增加能自动提高密封性。除此以外，要求其摩擦阻力小，耐油，抗腐蚀，耐磨，寿命长，制造简单，拆装方便。艾柯夫采煤机摇臂升降油缸活塞和活塞杆连接之间采用的是“O”型密封圈密封，“O”型密封圈的截面为圆形，主要用于静密封，其安装方便，价格便宜，可在-40～120摄氏度的温度范围内工作。因我们所用的艾柯夫采煤机主要是在井下工作，环境比较恶劣，运动阻力很大，如果单独用“O”型密封圈做密封时，容易产生扭转损坏，故我们所用的摇臂升降油缸活塞和活塞杆连接之间所采用的密封装置为“O”型密封圈，再加左右两个尼龙挡圈，形成组合密封。（如图2所示）

图2

3 活塞和活塞杆间的密封结构设计的分析

3.1 改造前的密封结构

活塞和活塞杆的连接部位的密封结构的设计如图3-1所示，在活塞杆的端部开了一个密封环行槽，这样使得活塞杆在受到外部载荷作用时，在其几何形状突然变化处（环行槽）产生了应力集中，从而影响了活塞杆端部的疲劳强度，在变应力的作用下容易产生疲劳断裂，如图3和图4所示

图3 图4

3.2 改造后的密封结构

活塞和活塞杆的连接部位的密封结构的设计如图5所示，活塞和活塞杆之间的密封环行槽设计在了活塞的内圈上，而活塞杆的端部改成了等截面的轴，这样避免了受力不均而导致应力集中的问题，并且也同样起到了很好的密封效果。

3.3 密封结构改造前后的比较

在活塞和活塞杆连接间的密封结构改造后，减缓了由于活塞杆端部的几何尺寸的突然变化而产生的应力集中，提高了零件的疲劳强度。

4 活塞杆端部结构改造前由于设计缺陷产生应力集中的分析

活塞杆在制造过程中，由于要求在环行槽内安装密封圈，因此，在切削过程中保留其锐角，如图6所示，保留锐角提升了密封性能，同时也切断了原活塞杆上的晶界线，使活塞杆密封环行槽处本身的结构强度显著降低了。

图5 图6

在活塞杆加工完成后，需要进行一系列的热处理工艺来提高材料的综合力学性能和满足其使用过程中的各种要求，然而，由于密封环行槽处为直角，因此，在热处理的过程中，合金在结晶，在转角处，由于散热方向所致，在转角的分界线上形成了整齐的分界面，如图7所示，使转角处成为活塞杆的薄弱环节。

在载荷作用下，零件几何形状突然变化处（环行槽）产生了应力集中，应力较平均应力大大增加，这也是活塞杆疲劳断裂的主要原因，如图8所示。

采煤机滚筒割煤时，遇到煤质硬或夹矸时，滚筒就会受到很大的外力冲击作用，这时煤壁会给滚筒一个向上的推力，此时摇臂升降油缸的活塞杆受到一个向外的拉力的冲击，因此造成活塞杆频繁受到冲击载荷，导致其寿命减少，这也是导致活塞杆疲劳断裂的原因之一。

5 对活塞杆改造前后进行受力分析

5.1 对活塞杆改造前进行受力分析

如图9所示，已知，活塞受到的最大压强P为40Mpa，活塞的直径 D1为300mm，活塞杆改造前环行槽的直径d为115mm，活塞杆受到的主要是轴向力，在这儿，只考虑活塞杆的轴向力，并且假设活塞杆在各个截面上受到的轴向力是均匀的、相同的。

则活塞受到的轴向力（即活塞杆受到的轴向力）：

改造前活塞杆环行槽所受到的轴向应力为：

5.2 对活塞杆改造后进行受力分析

如图10所示，活塞杆改造前后的材料和外界载荷是一样的，只是轴的直径发生了变化，活塞杆改造后的直径d'为123mm。

改造后活塞杆所受到的轴向应力为：

5.3 对活塞杆改造前后进行比较

由以上可知，？滓？刍？滓'

断裂失效是指材料的完全断裂，失效的载荷即为使活塞杆断裂所承受的最大载荷。

下面从安全系数来对活塞杆改造前后进行比较，安全系数n一般可定义为产生失效的载荷与估计的实际载荷之比，也可定义为材料的强度？滓b与最大计算应力？滓之比。

即安全系数n=■，由以上可知？滓？刍？滓'，又知改造前后材料是不变的，即材料的强度一样，所以，n？酆n'。

又知改造前后所承受的实际载荷是一样的，所以，改造前活塞杆失效的载荷小于改造后的，即为使活塞杆断裂的载荷，改造前小于改造后的，也就是说活塞杆改造前比改造后容易断裂。

6 结束语

通过以上对艾柯夫SL500采煤机摇臂升降油缸的结构和加工工艺的分析，从理论上，我对艾柯夫采煤机特别是摇臂升降油缸的结构设计、加工工艺和在加工过程中对活塞杆造成的影响有了更深的了解，并且有了进一步的认识。特别是活塞杆端部改造前，在密封环行槽处，无论是在加工过程中，还是在受到载荷时，都会在此处产生应力集中，这样就减少了活塞杆的寿命，加速了活塞杆的疲劳断裂。改造后，把密封环行槽设计在了活塞的内圈上，这样既起到了密封的效果，又避免了活塞杆在受到外界载荷作用时由于应力集中而过早地造成疲劳断裂。由于艾柯夫SL500采煤机是在井下非常恶劣的环境下工作，因此，对其结构和材料等方面的要求是非常高的。

总之，通过这篇论文的分析，我深刻地体会到了，我以后要更进一步地加深我的理论和实践知识。对进口设备，要结合在我公司的使用情况，不断改进，以适应生产使用要求。通过对艾柯夫采煤机摇臂升降油缸的改进、使用，要求我们对艾柯夫SL500采煤机其它部件进行深一步地探索、研究，发现存在的问题，并解决。