液压油缸的失效形式及改进方案

马青松

（中国重汽集团南充海乐机械有限公司，四川 南充 637000）

0 引言

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。它结构简单，制造容易，工作可靠，传动功率大。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压油缸零部件失效是指在规定的条件下和规定的时间内，丧失设计所规定的功能，继续使用会丧失可靠性和安全性[1-2]。其失效形式包括活塞杆弯曲或断裂、级间卡缸、爬行、级间或端盖漏油、缸筒内孔拉伤。每一种失效形式均会导致严重后果，为延长液压油缸的使用寿命和提高可靠性及安全性，本文对液压油缸的失效形式进行分析并提出改进方案。

1 液压油缸的失效形式及改进方案

1.1 活塞杆弯曲或断裂

活塞杆弯曲或断裂的典型失效形式如图1所示。

图1 活塞杆弯曲和断裂失效现场照片

失效形式描 述：130 系 列三级缸套筒式油缸的活塞杆中间部位发生弯曲，顶端发生断裂，油缸返厂后发现断面属于脆性断裂。

原因分析：液压油缸在举升过程中，随着缸筒和活塞杆的逐渐伸出，活塞杆顶端固定部位承受弯曲力矩逐渐加大，在货箱开始卸货时达到最大，此时活塞杆最易发生弯曲或断裂。

改进方案：活塞杆材质原采用45钢热轧管，屈服强度为360 MPa，经强度核算，满足货箱满载要求，但客户使用过程中，普遍存在货箱超载情况，现将材质更改为45钢调质管，屈服强度为520 MPa，经强度核算，可满足货箱超载30%的使用要求；活塞杆顶端与杆头原采用摩擦焊接方式连接，焊接强度满足活塞杆承载要求，但摩擦焊接设备属于老旧设备，设备稳定性下降，导致摩擦焊时活塞杆顶端与杆头焊接融合性较差，在活塞杆承受较大弯矩时，易于从焊接处整体断裂，现将焊接方式更改为CO2气体保护焊接，并将杆头与活塞杆顶端重合一定长度（如图2），使活塞杆在承受弯矩时，首先受力的部位是非焊接部位，改善焊接部位受力状况，提高焊接可靠性。

图2 重合一定长度的CO2气体保护焊结构

增加活塞杆调质工序及更改杆头焊接方式后，通过客户实际使用验证，未出现过活塞杆弯曲和断裂现象。

1.2 级间卡缸

级间卡缸的典型失效形式如图3所示。

图3 级间卡缸现场照片

失效形式描述：180系列四级套筒式油缸，在自卸车货箱装满货举升回落过程中，各级缸体在回落接近终点时，随着举升回落次数的增加，回落速度越来越慢，直至完全无法回落；油缸返厂后检测发现，一级、二级缸体圆度严重超差，最严重处为0.2 mm。

原因分析：此油缸一级、二级缸体最薄弱位置为安装密封、支撑环的沟槽处，厚度仅为3.5 mm，而缸体本体壁厚为12 mm，沟槽处受缸间密封保护，承受较少油缸内液压油压力，但当缸体伸出后，由于货箱偏载或由于路面不平引起的货箱倾斜，会导致一级、二级缸体头部承受很大弯矩，且180系列油缸缸径较大，无法承受太大弯曲应力。

改进方案：此系列油缸缸体为45钢热轧管制成，采用焊接式结构，即缸体头部（安装密封、支撑环部位）与缸体本体采用焊接方式连接，缸体头部虽然比缸体本体厚，但此处需要安装密封、支撑环时，必须将沟槽材料厚度减薄，导致承载力比缸体本体偏低。现通过对缸体头部增加调质工序，屈服强度由360 MPa升级为520 MPa，弥补由于沟槽引起的承载力减弱。

增加缸体头部调质工序，通过客户实际使用验证，未出现过因缸体头部变形引起的卡缸现象。

1.3 爬行

失效形式描述：130系列倒推式油缸在举升过程中，特别是试运行过程中，会出现爬行现象，油缸举升时，缸筒的上升速度不均匀、时快时慢，且伴随停顿，导致货箱、车架、驾驶室也随之抖动，此现象易加速车辆各传动部件的早期磨损，驾驶举升操作体验差。

原因分析：油缸在举升过程中，活塞杆在下方，处于静止状态，其它级缸筒向上伸出实现举升，液压系统通过活塞杆杆头进油，随着液压油的注入，油缸内的少量空气在油缸内腔上部聚集，无法排出，受液压油的挤压，油缸内腔上部的空气处于高压状态，并且随着液压油的注入，空气处于波动状态，引起油缸缸筒上升速度时快时慢、时断时续，即爬行。

改进方案：油缸的爬行现象属于油缸内腔聚集空气无法排出所致，现通过在油缸外缸体头部加装排气阀解决内腔空气无法排出问题。此排气阀属于单向阀，在油缸首次举升时，打开单向阀，钢球向左松动，油缸内腔空气排出（如图4箭头指示方向），待油缸内腔有油流出，且排出的油内无气泡时，表明空气排尽；此时，拧紧单向阀，通过钢球阻止油缸内腔液压油流出，油缸后续使用均保持此状态，无需再进行排气操作，方便适用。

图4 单向阀内液压油流动示意图

缸体头部增加单向阀后，通过客户实际使用验证，未出现过爬行现象。

1.4 级间或端盖漏油

级间或端盖漏油的典型失效形式如图5、图6所示。

图5 液压油缸级间漏油现场照片

图6 液压油缸端盖漏油现场照片

失效形式描述：在110系列油缸举升过程中，出现油缸级间漏油或者端盖漏油，导致油缸无法实现举升功能，且会导致油量损失和车辆及环境污染[3]。

原因分析：1）级间漏油。油缸级间采用CK型防尘圈、YX型密封圈，材质为丁腈橡胶，使用一段时间后，容易老化；单唇结构的内孔有密封唇，外圆防尘效果差[4]。2）端盖漏油。油缸举升过程中，在液压油的压力下O形圈和挡圈向外被挤压到端盖边缘。在正常情况下，由于端盖外圆与外缸体内孔的间隙比较小，所以O形圈和挡圈不会被挤压到端盖外圆与外缸体内孔的间隙中。但当端盖缺料或外圆尺寸偏小时，在外圆尺寸偏小处端盖外圆与外缸体内孔间隙过大，O形圈和挡圈被挤压到端盖外圆与外缸体内孔的间隙中，导致O 形圈和挡圈被端盖顶伤，从而导致破损断裂，引起漏油，如图7所示。

图7 O形圈破损原因分析示意图

改进方案：1）级间漏油。现将油缸级间防尘圈改成FC型防尘圈，材质为增强聚氨酯，双唇结构，增加硬度、改良结构，提高使用效果和寿命。将密封圈改成UNR2型密封圈，材质为增强聚氨酯，双唇结构，非对称形式，有预紧力，可防止低压漏油，增加硬度、改良结构，提高使用效果和寿命，如图8、图9所示。2）端盖漏油。图中的端盖材料缺失处，必须达到图样设计尺寸公差、形位公差、粗糙度要求。

图8 防尘圈更改前后结构对比图

图9 密封圈更改前后结构对比图

更改防尘圈、密封圈类型，端盖外圆严格按图样验收，通过客户实际使用验证，未出现过级间或端盖漏油现象。

1.5 缸筒内孔拉伤

缸筒内孔拉伤的典型失效形式如图10、图11所示。

图10 缸筒根部钢丝挡圈变形后磨损

图11 缸筒内孔拉伤现场照片

失效形式描述：110系列油缸在举升过程中，特别是使用一段时间后，缸筒根部限位处发生变形（缸筒变形或限位钢丝挡圈变形），导致钢丝挡圈外圆超出设计公差范围很多，与上一级缸筒内孔发生刮擦，引起上一级缸筒内孔拉伤。

原因分析：油缸缸筒采用45 钢热轧管，壁厚为7.5 mm，缸筒根部安装限位钢丝挡圈处需加工沟槽，厚度仅为6 mm。在油缸缸筒举升过程中，当缸筒承受货箱偏载引起的弯曲力矩超出缸筒根部承受范围时，易引起缸筒根部变形，且此限位钢丝挡圈还起支撑作用（保证相邻两级缸筒在油缸举升过程中处于同心状态），保持相邻两级缸筒内外圆间隙在0.3～0.5 mm范围内，如果缸筒根部或钢丝挡圈存在变形，则会与上级缸筒内孔发生刮擦，同时由于钢丝挡圈硬度在50 HRC以上，它在受磨损的同时，会刮伤上级缸筒内孔。

改进方案：油缸缸筒内孔拉伤属于下级缸筒根部限位处变形所致，且限位支撑采用同一部位，现将限位和支撑分开设置，限位外圆尺寸减少，间隙由原来的0.3～0.5 mm改为3 mm，即使存在变形也不至于拉伤上级缸筒内孔，支撑部位采用增强聚甲醛，间隙保持0.3～0.5 mm不变，增强聚甲醛具有高承载、低磨耗、摩擦因数低、自润滑性能好的特点，且较缸筒材料软，不易拉伤缸筒内孔，比较适合用于支撑环。

更改此结构后，通过客户实际使用验证，未出现过缸筒内孔拉伤现象。

2 结语

本文所述的是液压油缸制造工厂生产的油缸经自卸车客户实际使用时暴露出的主要失效形式，对这些失效形式的原因进行分析，提出改进方案，并再次通过客户验证，对设计和加工制造此类产品具有一定的指导作用。但这些失效形式只是针对90、110、130、150、180系列的二级、三级、四级套筒式液压油缸提出的部分失效模式和改进方案，在实际运用中，还需进一步考虑外部设备、环境对液压油缸造成的影响，以此作为改进的依据。