推耙机推耙油缸活塞杆弯曲分析

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272000）

推耙机是一种港口清仓、平整作业专用设备，按推耙铲安装位置不同可分为内置式和外置式推耙机，大马力推耙机普遍采用外置式推耙铲。推耙机工作条件十分恶劣，尤其是推耙铲、后防护架经常承受冲击，受力状态复杂，应力值较大。2016 年5 月，山推2 台STR13 推耙机推耙油缸在广州市相继出现活塞杆弯曲情况，经对推耙油缸的结构进行了受力分析，得出活塞杆的应力及变形分布状况，改进推耙油缸活塞杆设计结构。

1 推耙机活塞杆弯曲的现状调查

广州市客户在使用山推STR13 推耙机过程中，出现左侧推耙油缸活塞杆弯曲现象，不能正常工作，活塞杆弯曲位置如图1 所示。图中油缸的缸体正常，未发生弯曲变形，活塞杆出现向上的弯曲，该现象是由推耙机后退，铲刀受力对油缸进行压缩导致。

对推耙油缸进行拆解，观察活塞杆弯曲情况，弯曲最大变形位置（图2）靠近缸筒一侧，活塞杆表面光滑，没有磕碰的痕迹，推耙油缸活塞杆主要是弯曲变形，变形后未发生断裂，说明没有受到向上的外力作用。

图2 活塞杆弯曲照片

2 推耙油缸结构及稳定性分析

2.1 推耙油缸结构

推耙铲是整机的重要受力部件，推耙油缸安装结构如图3 所示，铲架与铲刀通过销子连接在一起，推耙油缸的缸体连接铲架，活塞杆连接铲刀。图中构件4 即为左侧推耙油缸，推耙油缸的伸缩可以改变铲刀的推耙角度。

该推耙油缸是普通的直线往复运动式液压缸，由缸筒、缸盖、活塞、活塞杆及密封元件组成，推耙铲工作时，推耙油缸将受到拉应力或压应力，以及很小的弯矩作用，其内部结构如图4所示，其中活塞比较细长，是推耙油缸的最薄弱部分，其结构强度时推耙油缸的关键所在。

图3 推耙油缸安装结构

图4 推耙油缸内部结构

2.2 推耙油缸弯曲稳定性分析

推耙机在水平地面作业，铲刀于固定位置耙料，推耙铲在水平内无偏转，其中部突然顶到障碍物时，对油缸活塞杆进行受力分析。图5 为推耙油缸活塞杆伸出示意图，活塞杆直径d=50mm，缸体内径D=120mm，支承长度L=1300mm ＞（10～15)d=500～750mm，因此需验算活塞杆弯曲稳定性，其假设活塞杆受力F1完全作用在轴线上，进行验算

图5 推耙油缸活塞杆伸出示意图

实际弹性模数

活塞杆横截面惯性矩

式中Fk——活塞杆纵向弯曲破坏临界载荷，N；

E——活塞杆材料的弹性模量，钢材取E=2.1×105MPa；

n——末端条件系数，两端铰接，故取n=1；

nk——安全系数，一般取2～4；

a——材料组织缺陷系数，钢材一般取a=1/12；

b——活塞杆截面不均匀系数，一般取b=1/13；

I——活塞杆截面惯性矩，m2，实心活塞杆取I=πd4/64；

将d=0.050m，L=1.3m 代入式（2)可得活塞杆纵向弯曲破坏临界力

当推耙油缸安全阀卸载时，活塞杆承受的力最大，而此时活塞腔内压力为安全阀的调定压力，21MPa，活塞杆承受的最大压力

式中p——推耙油缸内的压力，N/m2；

A——推耙油缸的活塞面积，m2；

D——缸体内径，m。

由式（1)可得推耙油缸的安全系数nk=Fk/F1≈1.59。

3 改进措施

经过推耙油缸结构及稳定性分析可得推耙油缸的安全系数偏低，即推耙油缸的弯曲稳定性不够，再计算推耙油缸卸载时活塞杆和密封圈及缸体和密封圈摩擦力的作用，活塞杆受到附加径向力或弯矩时则容易弯曲，因此需要推耙油缸改进。

通过式（1)与式（2)可得，要想增加推耙油缸弯曲稳定性，必须增大推耙油缸活塞杆截面惯性矩，改进后活塞杆弯曲稳定性的安全系数nk必须大于2。经过计算，当活塞杆长度不变时，活塞杆直径应取55mm以上，安全系数即可满足要求。

4 结语

推耙铲是推耙机的重要工作部件，推耙油缸出现问题将导致推耙机不能工作，因此设计推耙机时应当对推耙铲的部件进行仔细的校验核对，防止出现设计问题。

本文通过对市场上出现的质量问题进行调研，并对推耙油缸结构及稳定性进行分析，找出了活塞杆弯曲原因，是由于活塞杆的直径设计偏小，不能满足推耙油缸结构的稳定性。最后根据分析结果对推耙油缸进行了改善，把改善后的推耙油缸进行装机，取得了预期的效果。