陈晋市 张志伟 李永奇 闫堃 魏星
摘 要
液压缸在实际的工程应用中，由于设计人员对现场使用环境状况的不了解和操作人员对液压缸性能特性的认识不足而没有给予液压缸故障有效的预防与改进，致使液压缸在使用一段时间后发生故障，液压缸的使用寿命大幅缩减。为了解决液压缸在工作过程中的各类故障问题，研究了液压缸的故障模式，对常见的几种故障模式进行了分类和描述。通过液压缸的故障描述，对引起液压缸故障的原因进行了详细的分析，并提出了改进方案;现场运行验证了改进方案的可行性。提出了液压缸设计、安装和维护过程中应该注意的事项，提高了设计人员的技术水平和现场维护人员的安全意识，从而提高了液压缸的稳定性和可靠性，为今后液压缸的优化设计提供了可靠依据。
关键词
液压缸;故障模式;预防与改进
中图分类号： TH137.51 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.007
1 研究背景
液压缸是将液压能转换为机械能，实现往复直线运动或往复摆动的执行元件。它具有结构简单、工作可靠、传递功率大、制造容易等突出优点，因此，广泛应用于工程机械、冶金、铸造、汽车、机床、军工等领域。液压缸零部件在规定的条件下和规定的时间内，丧失规定功能的事件称为液压缸故障，继续使用会丧失可靠性和安全性。液压缸故障的表现形式称为液压缸的故障类型。液压缸常见的故障类型有：通油管弯曲、拉缸、活油管漏油、内泄、镀层脱落、导向套锈蚀等。液压缸故障问题是未来必须解决而且是能夠解决的问题，为延长液压缸的使用寿命和提高液压缸的可靠性和安全性，对液压缸的故障模式进行分析并提出改进措施就显得非常重要。
因此，本文基于徐州徐工液压件有限公司提供的液压缸现场故障描述，分析了液压缸常见的几种典型故障模式，进而对其故障原因进行了详细的分析，最后提出了改进措施，并在市场上进行了使用考核，反馈效果良好，改进后效果显著，液压缸的稳定性和可靠性得到了提升，为今后液压缸的优化设计提供了有效参考。
2 液压缸的故障模式及改进措施
第一，伸缩油缸活油管漏油。故障类型如图1所示。
故障描述：伸缩油缸完成主臂全伸，将二节臂缩回后，在寻找三节臂臂位过程中发生严重漏油现象。经拆检发现缸筒缸底端芯管法兰（缸头缸臂销供油）下方存在明显碰撞痕迹，主机结构四节臂臂尾右下侧滑道支座处发现明显碰撞痕迹。
原因分析：
1）伸缩油缸总成下滑块高度偏差;
2）下滑块高度降低，导致油缸在伸缩过程中，油缸整体下移，导致下滑块导向作用不充分，容易与主机结构吊臂碰撞;
3）伸缩油缸通往缸臂销硬管接头为法兰式结构。在伸缩油缸与吊臂碰撞过程中，法兰面积大，增加伸缩油缸与吊臂碰撞的概率，由于螺栓受力严重，发生螺纹失效，进而使得油缸发生漏油现象。
改进措施：
1）将缸底段油管接头法兰形式改为焊接式结构;
2）减小油管接头高度，减少碰撞风险;
3）缸底油管旋转一定角度，并且要求保证接头与轨道平行度。
经过改进后的油缸，前期在市场上经实际工况考核后返厂，通过检查油缸反馈良好，无任何损坏。
第二，伸缩油缸内泄。
故障描述：1、活油管基体开裂;2、通油管焊缝开裂。
原因分析：
1）活油管基体存在缺陷，出厂时无法检测，液压油在油管内部活油管承压，长时间工作后导致活油管开裂;
2）活油管为成品采购45号钢冷拔材质，外表面镀硬铬，由于镀层的原因，导致焊缝与基体结合力下降。上述原因致使焊缝与基体结合力降低，达不到使用要求，在使用过程中焊缝逐渐脱离基体。
改进措施：
1）严格控制活油管进厂质量，加强质量检验、监督;
2）加强焊前基体表面检查，基体有缺陷不能焊接;
3）活油管外表面焊缝部分去除镀层，增加焊缝与基体的结合能力;
4）对通油管焊缝进行抽样试验，控制质量。
改进后通油管焊缝开裂导致的内泄反馈率明显降低。
第三，液压缸通油管伸出后发生弯曲。
原因分析：
1）油缸在使用过程中，通油管弯曲必定受到外力使其失稳弯曲，外力有两种形式：沿通油管轴线方向和垂直于通油管方向。油缸在使用过程中，通油管在大芯管内往复运动，无垂直方向受力;油缸回收时，若大芯管内油液阻塞或有压力（未卸荷），通油管回收时会受阻力导致弯曲。
2）油缸全伸时，由于通油管挠度的存在，若油缸回收瞬间速度过快，有可能造成通油管受瞬间阻力导致弯曲。
改进措施：对通油管长度进行优化，排除通油管过长或过短造成弯曲。
改进后效果良好，无通油管弯曲现象发生。
第四，拉缸。
故障描述：1、活塞密封件、支承环均已损坏严重;2、活塞外圆、缸筒内孔存在轴向拉伤，轴向位置为缸筒通体，径向位置为液压缸安装位置的下方90°范围内;3、活塞杆外圆完好无损伤。
原因分析：液压缸使用过程中，导向套通过无油轴承和活塞杆接触，活塞通过支承环和缸筒接触，活塞和导向套作为油缸的前后两个支撑点保证活塞杆轴向运动，通过拆检反馈问题都是为活塞外圆与缸筒内孔存在拉伤。因此分析活塞侧支承存在问题，拉伤原因有以下几点：
1）活塞外圆与缸筒内孔间隙小，用户在挖掘作业时异常受力造成活塞外圆与缸筒内孔接触造成拉伤;
2）活塞防松失效，活塞松动后影响活塞导向支承性能，在运动过程中造成活塞外圆与缸筒内孔接触;
3）活塞支承环抗压强度不足，无法满足主机侧向力需求;
4）主机臂架强度低、位置精度不良，使油缸承受异常侧向力，活塞支承无法满足异常受力;
5）而支撑环的耐高温性能不能满足工况要求。
改进措施：通过拆检反馈油缸，测量缸底、耳环衬套销轴孔内径、活塞杆全长跳动度和活塞杆活塞小头端尺寸，没有发现尺寸异常，油缸没有受到异常外力而造成活塞杆变形。因此制定了一系列改进措施：
1）减小活塞外圆尺寸，加大活塞与缸筒配合间隙;
2）增加活塞支承环宽度;
3）斗杆油缸活塞上支承环材质都更改为JRF3012（TPI）。
经过改进后的油缸反馈良好，无任何损坏。
第五，导向套锈蚀。
故障描述：伸缩油缸的导向套在工作了一段时间后出现了锈蚀现象。
原因分析：
1）导向套内孔密封沟槽尺寸超差或导向不足，防尘能力不足导致进水锈蚀;
2）装配损伤或O型圈材质或规格选用错误导致的O型圈失效，轴座内孔尺寸超差导致密封不严进水锈蚀。
改进措施：
1）针对主密封可能存在的硬度低导致耐冲擊、耐压缩能力差的问题以及低压刮油能力不足的现象，将主密封由丁腈橡胶材质的USIY形圈更改为聚氨酯材质的ISIY形圈;
2）针对外圆O型圈失效，油压冲击耐受力差的问题，将两道O型圈由两道橡胶更改为近压端加整体聚氨酯挡圈，远压端橡胶组合配置，增强冲击耐受力，防止O型圈挤出失效。
3 液压缸故障的预防措施
针对引起液压缸故障的原因和相应的改进方式，提出以下预防措施：
1）设计人员在设计时应尽量减小油管的接头高度，避免碰撞;安装时油管接头法兰采用焊接式连接;操作人员严格按照说明书进行操作，并在后期不定时进行故障诊断与维护保养。
2）设计人员设计时尽量减小活塞外圆尺寸，增加活塞支承环宽度便于在安装时加大活塞与缸筒配合间隙;
3）建议选适用于液压缸工况的进口密封或者国内大品牌密封品牌和材质，如聚氨酯;
4）车间上料前做好严密的基体表面锈蚀检查，并严格控制镀前抛光到电镀工序的时间，保证出厂时无锈蚀现象;
5）对操作人员进行专业的岗前培训，严禁不同工种流动作业，避免对液压缸造成不必要的损失。
4 结语
本文所述的主要是徐州徐工液压件有限公司所提供的一些液压缸现场故障案例，就其故障原因进行了详细分析，提出了有效的改进和预防措施，对实际故障检修及故障排除有一定的指导作用。但这些只是引起液压缸故障的部分原因，因此在实际生产中还需认真分析液压缸故障的根本原因，并有针对性地采取相应的措施，在日常的维护保养工作中加以预防，不定时的进行内部检查和故障测试诊断，及时发现问题并进行改正，这样可以大大延长液压缸的使用寿命，进而更好的维持液压系统的稳定可靠运行。
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