程連飛

(廣州鐵路(集團)公司 廣州客運專線基礎設施維修基地，廣州 510600)

搗固車搗固裝置提升油缸故障處理

程連飛

(廣州鐵路(集團)公司 廣州客運專線基礎設施維修基地，廣州 510600)

分析了各類大型養(yǎng)路機械搗固車搗固裝置提升油缸(以下簡稱搗固提升油缸)常見故障形式，并從設計和使用兩方面進行故障原因分析，提出針對性的改進措施和建議，如果對提升油缸結構進行優(yōu)化，能從根本上解決搗固裝置提升油缸的常見故障。

搗固車 提升油缸 故障原因 改進措施

搗固車用于對軌道進行撥道、起道抄平及道床肩部道砟的夯實作業(yè)，對提高道砟的密實度，增加軌道的穩(wěn)定性，保證列車安全運行發(fā)揮了重要作用。提升油缸作為搗固車搗固裝置的重要執(zhí)行元件，其狀態(tài)好壞直接影響到搗固車的作業(yè)質量。本文針對搗固提升油缸出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，分析原因，提出改進措施。

我國鐵路使用的各類搗固車品種較多，搗固裝置提升油缸主要使搗固裝置實現(xiàn)提升與下插動作，完成搗固作業(yè)，在各型搗固系列產(chǎn)品中，普遍存在搗固裝置中提升油缸漏油、活塞桿折斷及其螺紋滑絲等故障，而且提升油缸費時費力，嚴重影響了設備效能的發(fā)揮。因此，從根本上解決搗固提升油缸故障，可以節(jié)約大量的維修時間，提高機器的使用效率。

1 油缸活塞桿折斷故障

1.1 故障現(xiàn)象和產(chǎn)生原因分析

根據(jù)統(tǒng)計，在 D08-32、D09-32到 D08-32C、D09-3X、DWL-48等搗固車車型中，均出現(xiàn)過搗固提升油缸活塞桿折斷或損傷現(xiàn)象?；钊麠U折斷主要發(fā)生在活塞桿螺紋根部，M30螺紋和φ35 mm圓柱之間的退刀槽部位，活塞桿的折斷部位的狀況基本相同。分析活塞桿折斷斷面可以看出存在明顯的應力集中和剪切破壞。油缸活塞桿結構存在缺陷是油缸活塞桿損壞的原因之一。從結構分析，在活塞桿螺紋根部，M30螺紋和φ35 mm圓柱之間的退刀槽部位，承載截面的直徑僅為φ27 mm，同時由于截面積和形狀的變化，更加重了退刀槽最小直徑處產(chǎn)生應力集中。又由于螺紋聯(lián)結的特點，螺紋各圈螺牙上的載荷為不均勻分配，一般以螺母與被連接件接觸處的第1～2扣螺紋所傳遞的載荷最大。因而緊挨退刀槽1～3扣螺紋處會產(chǎn)生較大的應力集中，此處材料的疲勞強度大幅下降。如果活塞桿再經(jīng)過沖擊力、橫向剪力、振動力和疲勞磨損的作用，活塞桿退刀槽和螺紋處就會折斷。

在搗固車作業(yè)過程中，操作人員作業(yè)操作的不規(guī)范，同樣是加速油缸活塞桿損壞的重要原因。如果操作手為了提高作業(yè)速度，經(jīng)常在搗固車或工作小車尚未停穩(wěn)時，就急于下插搗固裝置，搗固裝置下插后，小車尚未停穩(wěn)，因此，相當于搗固裝置參與了整車或工作小車的制動，致使搗固裝置頻繁受到很大的沖擊載荷，這些沖擊均通過搗固裝置傳遞到提升油缸上;另外，在作業(yè)中，有時還存在對鎬位不準而使搗鎬碰撞軌枕現(xiàn)象。這兩種情況使提升油缸受到橫向剪切力及瞬間沖擊力，時間稍長，就會導致油缸活塞桿折斷。

1.2 改進措施

表1 油缸活塞桿改進前后的強度計算比較

2)應加強現(xiàn)場作業(yè)人員規(guī)范操作培訓，減少由于操作不當引起的附加沖擊載荷。

2 油缸活塞桿聯(lián)結螺紋滑絲故障

2.1 故障現(xiàn)象和產(chǎn)生原因分析

油缸活塞桿滑絲故障主要表現(xiàn)為：活塞桿聯(lián)結螺紋牙形整體全部脫落，致使油缸與搗固裝置無法連接和緊固，且無法修復，只能更換油缸或油缸活塞桿總成，成本很高，操作困難。

油缸活塞桿聯(lián)結螺紋結構存在缺陷也是油缸活塞桿出現(xiàn)油缸活塞桿滑絲損壞的原因之一。該處使用的提升油缸活塞桿聯(lián)結螺紋為三角形螺紋聯(lián)結。在三角形螺紋受力簡圖中(如圖1所示)，作用于每圈螺紋上的軸向載荷F，由螺紋牙沿周向懸臂梁根部斷面的剪切面相平行，因而這種螺紋聯(lián)結的特點是螺紋聯(lián)結根部應力集中系數(shù)大，使得它作為高強度聯(lián)結螺栓存在嚴重的安全隱患，在沖擊、振動和疲勞磨損的作用下，整個螺紋從根部被拉斷，出現(xiàn)螺紋滑絲故障。從滿足使用要求方面來考慮，搗固提升油缸活塞桿聯(lián)結螺紋牙形的強度需要經(jīng)過專門校驗，采用三角形螺紋牙形應充分保證其承載能力符合使用要求。

圖1 三角形螺紋受力簡圖

在搗固車作業(yè)過程中，操作人員維修保養(yǎng)不到位，同樣是加速油缸活塞桿聯(lián)結螺紋滑絲損壞的重要原因。搗固車提升油缸與搗固裝置箱體之間采用關節(jié)軸承鉸接。關節(jié)軸承由壓蓋、調整墊片、螺母、上下球冠及其球座組成，其結構如圖2所示。關節(jié)軸承安裝時冠形鉸的間隙要調整合適，間隙過小，球冠鉸轉動不靈活，影響提升油缸的擺動;間隙過大，在搗固裝置升降時產(chǎn)生沖擊，導致活塞桿滑絲。合理的間隙應為0.1～0.2 mm，在設備維修保養(yǎng)過程中，應定期檢測和調整該參數(shù)，消除部件相對運動對聯(lián)結螺紋的剪切作用。

圖2 關節(jié)軸承

搗固車在工作時，帶槽螺母(見部件5)松動，同樣可以造成油缸活塞桿聯(lián)結螺紋滑絲的損壞。由于搗固裝置產(chǎn)生很大的振動和沖擊，提升油缸帶槽螺母就會發(fā)生松動。帶槽螺母會向下移動1～3個絲扣位置(通常位置下移2～5 mm)，導致提升油缸提升到最高位后，因鎖定孔的位置略低于鎖定銷的位置，搗固裝置無法鎖定到位，不能正常走行，進而造成油缸活塞桿聯(lián)結螺紋滑絲損壞。

搗固車工作一段時間后，必須進行間隙調整，并緊固活塞桿連接螺母。如果螺母繼續(xù)向下移動，活塞桿的關節(jié)軸承間隙過大，提升油缸會在搗固裝置升降時產(chǎn)生劇烈沖擊，拉傷活塞桿螺紋，進而導致活塞桿螺紋完全滑絲。

2.2 改進措施

1)對活塞桿聯(lián)結螺紋牙形進行優(yōu)化，提高聯(lián)結螺紋強度。搗固提升油缸是垂直雙向運動，上升、下插均受力較大，因此活塞桿螺紋所受軸向力較大，設計上應考慮采用承受軸向力強的螺紋牙形聯(lián)結，以免軸向力過大導致螺紋滑絲。目前，在國內外大多數(shù)承受較大軸向力的設備中都采用了斜梯形錐螺紋聯(lián)結。下面對三角形螺紋和斜梯形錐螺紋進行比較。

①剪切強度。由于搗固提升油缸活塞桿聯(lián)結螺紋所受軸向的搗固裝置下插力和重力，作用于每圈螺紋上的軸向載荷為F，如圖3所示，設剪應力平均分布在牙根端面上，則螺紋牙根部的剪切強度計算

圖3 螺紋牙形受力示意

式中 d4——螺紋小徑尺寸;

L——螺紋牙根寬度;

n——螺紋有效作用牙數(shù);

F——螺紋所承受的軸向力;

［τ］——材料的許用剪應力。

對于具有同樣內外徑、螺紋有效作用牙數(shù)和螺距的斜梯形錐螺紋與三角形螺紋，斜梯形錐螺紋牙形的螺紋牙根寬度(L1=0.74×螺距)大于三角形螺紋的牙根寬度α(α=0.5×螺距)，從而斜梯形錐螺紋牙形的剪切強度要高于三角形螺紋。

②彎曲強度。計算螺紋牙形的彎曲強度時，應把螺紋牙形展開.把螺紋牙形看作是在螺紋牙高度中點處受到平均分布載荷 F作用下的懸臂梁(如圖4所示)，其最大彎曲應力計算

式中 Mmax——活塞所受最大彎矩;

W——活塞桿凈截面模量;

Fj——破壞荷載;

t——螺紋牙形高度;

d4——螺紋小徑尺寸;

［σW］——材料的許用彎曲應力。

由此可以看出斜梯形錐螺紋牙形的彎曲強度要高于三角形螺紋。

圖4 螺紋牙展開

③ 擠壓強度。每圈螺紋所受的作用力F對螺紋牙形的平均擠壓應力計算

式中 ［σj］——材料的許用擠壓應力;

F——每圈螺紋所受的作用力;

d4——螺紋小徑尺寸;

d——螺紋大徑。

可以看出，對具有同樣牙高和內外徑的斜梯形錐螺紋和三角形螺紋，由于大小徑尺寸相同，從而斜梯形錐螺紋牙形的擠壓強度與三角形螺紋也相同。因此，在計算螺紋牙形的強度時，必須同時滿足式(3)、式(4)、式(5)3個條件，發(fā)現(xiàn)斜梯形錐螺紋牙形承受軸向力的強度比三角螺紋大，對搗固提升油缸活塞桿承受較大軸向力的工況設備特別適用，建議在搗固提升油缸活塞桿與搗固裝置的聯(lián)結螺紋使用斜梯形錐螺紋的牙形。

另外對于搗固裝置聯(lián)結內螺紋，可不必計算它的彎曲和剪切應力，因為內螺紋的受彎和受剪斷面積比外螺紋大，相應的應力值肯定小于外螺紋。

2)加強設備的維護保養(yǎng)，定期調整油缸與搗固裝置連接的間隙在適當?shù)姆秶詢?。適時檢查和緊固帶槽螺母的緊固狀態(tài)，盡量降低作業(yè)過程中的沖擊載荷。

3 油缸泄漏故障

3.1 故障現(xiàn)象和產(chǎn)生原因分析

大多數(shù)情況下，油缸泄漏不會影響施工作業(yè)，但如果泄漏時間較長，會導致無法正常作業(yè)。

搗固提升油缸泄漏問題在各型搗固車中經(jīng)常出現(xiàn)，油缸泄漏部位主要在活塞桿與油缸端蓋密封處。在一般情況下，提升油缸的密封件更換周期為7 d左右，成為搗固車維護保養(yǎng)中的一項必須進行的內容。

搗固裝置在作業(yè)過程中，以極短時間下插和提升，尤其是下插過程，油缸行程達到300 mm以上，若補油不及時，液壓系統(tǒng)的壓力沖擊力過大，極易導致提升油缸泄漏或其它故障。提升油缸的作業(yè)條件決定搗固裝置在作業(yè)過程中，非常容易產(chǎn)生泄漏。

分析提升油缸行程長，載荷沖擊大的特點，在提升油缸裝置設計過程中，為了緩解作業(yè)沖擊力，在油缸的工作回路中專門設計了用于緩和沖擊的緩沖裝置，緩沖裝置由緩沖節(jié)流閥和單向閥組成。這種設計的特點是：在緩沖長度內，工作油液只能通過節(jié)流閥調節(jié)，開始時沖擊壓力很大，進入緩沖后緩沖效果衰減很快，適于活塞運動速度較低，負載(慣性)質量較小的場合。

進一步分析提升油缸的工作狀況，可以發(fā)現(xiàn)，搗固裝置以極短時間下插時，油缸運動速度很大，而且單個搗固裝置質量1.5 t，慣性質量較大。油缸平均運動速度計算 V=L′/Ts=380/(0.4 ×1 000)=0.95 m/s，式中L′為搗固頭下插深度，取 L′=380 mm，Ts為搗固頭下插時間，取Ts=0.4 s。

經(jīng)過計算，油缸緩沖裝置的設計速度和載荷均與實際作業(yè)條件不相匹配，應該考慮進一步改進。同時，由于提升油缸屬于細長油缸，上下運動時活塞桿行程較長，活塞桿穩(wěn)定性差?；钊麠U伸出油缸時受力較大，容易引起壓力失穩(wěn)，產(chǎn)生側向作用力，造成磨偏現(xiàn)象，導致活塞桿單邊磨損嚴重，造成油缸泄漏。要解決這個問題，應該對油缸從設計上進行改進，提高油缸活塞桿的抗彎強度，減少偏磨的發(fā)生。

在搗固車作業(yè)過程中，操作人員作業(yè)操作不當，會加速搗固提升油缸產(chǎn)生泄漏損壞。操作者在使用中操作不當，容易引起油缸壓力沖擊力過大。搗固車作業(yè)系統(tǒng)中都設置了蓄能器，用以吸收和緩和壓力沖擊。在原始設計和出廠的產(chǎn)品中，蓄能器的工作壓力均被調整到合理的參數(shù)值，但在使用過程中，蓄能器的工作壓力會不斷下降，使緩沖作用下降，作業(yè)裝置的實際作業(yè)沖擊得不到有效緩解。因此，搗固車的操作人員應定期檢查蓄能器的充氮壓力，保證系統(tǒng)壓力和作業(yè)載荷的正常。

當然。在拆解、檢修泄漏嚴重的油缸部件時，還應重點檢查活塞桿和活塞缸體內表面及其密封配合零部件表面應無拉傷、嚴重磨損等現(xiàn)象。作業(yè)液壓油無嚴重污染和夾雜，引起密封元件劃傷，破壞油缸的密封。

3.2 改進措施

1)油缸緩沖方式改進措施。一種是在液壓缸外部進行控制，即在液壓缸的控制回路上，安裝節(jié)流閥或其它形式的流量控制裝置進行緩沖;另一種是在液壓缸內部使用平板節(jié)流緩沖裝置(如圖5所示)。

圖5 油缸內平板節(jié)流緩沖裝置

2)油缸活塞桿改進。要提高油缸活塞桿的抗彎能力，一般方法是增加活塞桿導向長度和活塞桿直徑，但這種方法不僅增加了成本，而且加工難度較大。建議將原來的實心活塞桿做成空心結構。這是因為離中性軸越遠，正應力越大，所以應使大部分的材料分布在離中性軸較遠處，材料才能充分發(fā)揮作用;同時空心活塞桿既是一個活塞桿，又相當于一個液壓缸，原來作用在活塞桿下端的力大部分就轉移到上端，減輕了活塞桿的局部受力，這樣長行程油缸活塞桿彎曲穩(wěn)定性的問題就得以解決。

3)加強設備的維護保養(yǎng)，定期調整蓄能器壓力，吸收液壓系統(tǒng)沖擊。應重點檢查活塞桿和活塞缸體內表面及其密封配合零部件表面，無拉傷、嚴重磨損等現(xiàn)象。作業(yè)液壓油無嚴重污染和夾雜，引起密封元件劃傷，破壞油缸的密封。

4 結語

搗固系列設備作為鐵路維護的主力車型，搗固提升油缸隨搗固系列設備數(shù)量很多，應對提升油缸結構進行優(yōu)化設計，從根本上解決搗固裝置提升油缸的常見故障，提高油缸作業(yè)效率和可靠性，延長油缸使用壽命，減小故障率，降低維修成本，提高設備利用率。

［1］韓志青，唐定全.抄平起撥道搗固車［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［2］毛必顯，孫寶青.液壓傳動原理與故障診斷［M］.成都：西南交大出版社，2007.

U216.63+1

B

1003-1995(2011)03-0120-04

2010-10-15;

2010-11-20

程連飛(1966— )，男，福建福清人，工程師。

(責任審編 王 紅)