液压油缸的失效形式及改进方案

卢焯权

摘要：近年来，我国的工业化进程有了很大进展，对液压油缸的应用也越来越广泛。液压油缸可将液压能转变为机械能，是做直线往复运动（或摆线运动）的液压执行元件。针对液压油缸的常见失效形式进行描述，分析引起失效的主要原因，并提出经过实际工况验证可行的改进方案，以延长液压油缸的使用寿命、提高可靠性和安全性。

关键词：液压油缸;失效形式;改进方案

引言

液压缸具有工作压力高、流量大、功率密度大等优点，普遍应用于工业领域。部分液压缸在工作时表现出故障模式多样、寿命短等特点，因此针对液压缸开展可靠性试验并进行寿命评估，对提高液压缸的性能和寿命具有重要意义。以烟草专用机械液压缸为对象，对活塞杆进行了可靠度设计分析，并以活塞杆为研究对象，针对其断裂现象，进行了断裂失效机理分析研究。

1当前液压油缸行业技术水平

液压传动工作中的推进油缸是把液压油的压力能转换为机械能的执行机构，它主要依靠液压油在油缸中的流动方向变化，推动油缸中的活塞，使活塞按一定的速度和推力完成某一项机械运动。组成油缸的主要零件有缸体、活塞、密封环、活塞杆、导向套、压盖和端板等。单活塞油缸在液压传动工作中应用最多。它的工作特点是：当在活塞两侧腔内分别输入相同流量的液压油时，活塞运动往复速度不相等;如果输入活塞两侧液压油的压力相等，则活塞往复运动产生的轴向推力不相等，这主要是因为活塞一侧有活塞杆的存在，使活塞两侧空腔的有效容积不相等导致的。在液压传动领域中，由于液压油缸结构的特殊性，无论是国内或者国外油缸厂家的产品，推进油缸的活塞杆伸出均会发生自旋。目前的技术仍未能解决活塞杆自旋的问题，这也是目前国内外所有推进油缸的共性问题。造成此类问题的主要原因是油缸中的活塞杆为圆形，而且活塞杆与缸体之间采用O形圈密封，导致无法直接利用活塞杆进行截面形状的导向或限位。

2液压缸失效机理分析

液压缸磨损主要包括磨粒磨损、疲劳磨损和黏着磨损，其中，磨粒磨损、疲劳磨损可以由Archard模型求解：

V=KFL/（3H）（1）

式中：V为摩擦副软材料磨损体积;K为磨损系数;F为法向载荷;L为磨损行程;H为软材料维氏硬度。以液压缸缸筒/活塞密封摩擦副为例，活塞密封由支撑环、挡圈、动密封等非金属元件构成。由式（1）可知活塞密封材料的磨损量与加载法向压力、行程成正比，与自身硬度成反比，从而可以得知，当活塞密封元件工作到一定时间后会造成液压缸泄漏，导致液压缸部分功能失效。液压缸疲劳失效模式中，缸体疲劳是最常见的模式之一，其中尤以缸体开裂最为严重。缸体疲劳裂纹最开始一般出现在圆角表面，然后逐渐延展到材料内部，最终导致裂纹处漏油。目前关于疲劳断裂的问题仍广泛采用材料力学的方法，其中实际中估算疲劳寿命时经常采用Basquin公式：

SkaNf=C（2）

式中：Sa为应力幅值;Nf为疲劳寿命;k、C均为材料常数。以液压缸缸筒为例，其所受载荷主要为脉冲循环应力，由式（2）可以预测液压缸缸筒在低应力高周阶段的疲劳寿命。

3液压油缸改进方案

3.1活塞头密封装反

液压油缸的活塞密封为上、下两个Y型密封，两个密封对称安装，分别承受上、下腔不同的工作压力，Y密封因开口角度较小，安装时朝向不易判断，在安装过程中极易朝同一个方向安装，出现油缸修后活塞杆动作缓慢，甚至不能动作的现象。处理方法：在活塞密封进行安装时，应首先检查活塞密封规格型号是否正确，确认无误后，再找准密封的开口朝向，做好相关标记。在安装过程中技术人员要随时多次检查，确保上、下两个密封呈对称安装，且安装位置到位。此安装过程要求技术人员随时进行过程监督把控，最后完成安装后，再次复查核对确保无误。

3.2液压缸液动力

液压油在液压缸内流动以及流进、流出液压缸时会对液压缸缸体、活塞和活塞杆产生作用力，因此采用液动力的概念对这个作用力进行分析。液动力（又称伯努利力）分为稳态液动力和瞬态液动力。稳态液动力是指液压阀阀口处于一定开度并且通过阀口的流量恒定時，因流进或流出阀口的流体流速的大小及方向发生变化而产生的作用于阀芯上的反作用力。瞬态液动力是指阀口打开或关闭过程中，通过阀口的流量发生变化时，流体作用在阀芯上的力，即使阀腔内的流体加速或减速的反力。瞬态液动力在普通结构的滑阀中数值不大，通常可以忽略不计。将液压缸的有杆腔类比成一个液压阀，液压缸的缸体是固定的，相当于阀体;活塞和活塞杆是运动的，相当于阀芯。当液压缸伸出时，无杆腔的液压油推动活塞运动，相当于液压油从活塞处流入无杆腔，然后从有杆腔的油口流出。液压阀的阀口一般设计为对称结构，径向液动力可以相互抵消。但液压缸的结构不一样，有杆腔一般只有一个油口（相当于阀口），因此径向液动力方向与有杆腔油口轴线重合并朝向活塞杆。活塞杆由于自身及活塞、撑靴重力的作用，其轴线会与缸体轴线偏离，而推进油缸因为在盾体内周向一圈布置，其有杆腔油口朝向是变化的，当有杆腔油口轴线与活塞杆轴线没有相交时，径向液动力便会使活塞杆产生转动。

4液压缸寿命评估

从同一批次某型号国产液压缸中随机选取10件作为被试样本，有杆腔和无杆腔加载压力分别为20MPa和10MPa，液压缸活塞杆运行速度为200mm/s（液压缸设计的最高速度），单次试验连续进行8h以上。当试验过程中出现内泄漏量增大、活塞断裂、缸体变形等试验现象时试验中止并记录相应数据。试验结束后，对液压缸进行拆检和失效机理分析。

结语

综上所述，基于新方案在撑靴上增加了导向杆，并通过推进油缸伸缩试运行，进一步验证了新方案的可行性。新方案相比于现有解决办法更加简单有效，对提高烟草专用机械液压油缸工作效率具有实际应用意义，同时为相关液压油缸产品设计、解决推进油缸防扭措施提供了参考。虽然复杂环境下液压缸的寿命数据呈现不同的失效机理，但仍然能够用威布尔分布来拟合其寿命数据。

参考文献：

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