张紧液压油缸缸头结构分析与改进

摘要：秦皇岛港煤五期BM皮带线采用的是DYL型自动液压张紧装置，在煤五期BM线复杂工况的作用下，液压站张紧油缸频繁出现缸头断裂的情况，严重影响到了正常的生产作业。本文从张紧油缸缸头着手，分析油缸受力情况，针对其受力薄弱环节，重新设计了可靠性、通用性更强的油缸缸头，解决了日常生产中的频发性故障。

关键词：液压张紧;油缸缸头

0  引言

液压张紧系统具有响应快、压力可调、安装占用空间小等优点，广泛应用于各大矿山、港口的皮带机系统中。煤五期BM线液压张紧装置曾经多次出现缸头断裂故障，严重时甚至导致张紧小车倾翻，皮带压煤停机，造成机损及洒落煤事故。通过仿真软件对缸头进行受力分析，我们认为是造成缸头断裂的原因主要有两点：①缸头存在薄弱环节，同时皮带启动的瞬时负载过大;②缸头长时间使用引起疲劳断裂。基于以上两点，我们设计了加厚结构的缸头，材质采用45#钢锻造，并进行调质处理，并针对不同规格的缸头设计了转接头，增加了备件通用性。

1  技术方案

张紧油缸缸头是整个张紧机构的最大受力点，也是整个张紧系统的最薄弱环节。在计算出整个系统张力的前提下，我们对新设计缸头进行了三维建模，并通过ANSYS软件对新缸头进行静载荷分析，得出其应力云图、应变云图和不同应力下的寿命云图，计算出新缸头的平均寿命，以便于设定备件更换周期。

1.1 受力计算

图1所示为张紧油缸结构，通过缸杆的收缩来拉紧皮带，由此可以得出张紧力与系统压力之间的关系式为：F=P*A=P*π（R2-r2），其中R为油缸缸筒半径，r为油缸杠杆半径。以BM10为例计算，其R=200mm，r=100mm，P=13MPa，带入式中可得，F≈390kN，即缸头受力为390kN。

1.2 新缸头设计与三维建模

分析缸头断裂的事故现场（见图2），可以发现断裂面基本处于缸头滑轮轴与缸头轴中间接触部位，由此可知该处为油缸缸头受力薄弱位置。

针对此种情况，我们对易断裂薄弱环节进行了加強，设计了如图3所示的全新缸头。缸头要求使用45#钢锻造，并进行调质处理。由于目前BM张紧液压缸存在两种尺寸，分别为？准70mm和？准90mm，在设计加工之初考虑到通用性的问题，设计了转接接头，满足缸头在不同直径上的转换，减少备件的种类。

1.3 ANSYS载荷与寿命分析

在缸头与滑轮轴接触部位与缸头与杠杆连接部位设定两个接触面，分别为接触面A和接触面B。在A面上进行固定约束，在B面上施加力F，在计算初期，我们设定了十组静载荷的作用，分别为10t、20t、30t、40t、50t、60t、70t、80t、90t、100t，分析在此作用力下缸头的寿命情况。

采用自动化分网格，网格大小选择中等，在ANSYS中进行静力载荷分析，得到如下应力云图，各区域受力情况如图4所示。

从应力云图和变形云图中可以看出，零件的最大应力和变形都发生在轴孔内侧，该位置与零件实际断裂处一致。

从零件寿命云图中可以看出，零件的寿命最小发生在轴孔内侧，该位置与零件实际破坏一致。从不同载荷下零件寿命曲线可以看出，载荷为10t～40t时，零件的寿命不变为1*106，增大载荷寿命会快速下降，载荷为70t时，寿命只有1.2906*105;载荷继续增大，零件寿命缓慢减小，当载荷为1*106时，寿命为34945。（图5）

2  实施效果

从年初开始，我们对四条BM线的油缸缸头统一进行了更换，如图6所示。在更换完新缸头后，缸头断裂故障得到了有效改善，近一年来未再发生断裂事故。

3  结论

此次的改造主要是针对BM张紧油缸缸头频繁断裂的实际问题出发，利用结构分析软件得出的数据，对缸头结构进行有效改进，降低了故障频率，同时在满足正常使用的前提下，减少备件的种类，保证备件的通用性。

作者简介：王虎（1985-），男，本科，工程师，研究方向为港口机械。