于 飛

（陽煤一礦掘二隊， 山西 陽泉 045000）

引言

7LS7型采煤機(jī)是我國煤礦企業(yè)常用的進(jìn)口采煤機(jī)，具體參數(shù)如表1所示。在實(shí)際使用中，7LS7型采煤機(jī)的液壓油缸會經(jīng)常出現(xiàn)導(dǎo)向套和缸筒因密封失效導(dǎo)致液壓油泄露、導(dǎo)向套的防塵圈出現(xiàn)破損發(fā)生液壓油泄露或者活塞桿的活塞端頭發(fā)生變形等故障，這些故障出現(xiàn)頻率極高，時常會導(dǎo)致采煤機(jī)停工維修，備件消耗速率極快，并且替換件的價格高、供貨周期長，對正常生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響。

表1 7LS7型采煤機(jī)相關(guān)性能參數(shù)

1 液壓油缸的設(shè)計缺陷

圖1為7LS7型采煤機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。該機(jī)型的調(diào)高油缸設(shè)置在牽引部和搖臂的上部，屬于上置式布置。在調(diào)高油缸的周圍安設(shè)有伸縮式的異形甲板，可以保護(hù)油缸在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動時避免出現(xiàn)煤塊和矸石等落入油缸下部造成部件損壞[1-2]。圖2為調(diào)高油缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。表2為調(diào)高油缸的相關(guān)參數(shù)。通過對采用7LS7型采煤機(jī)的煤礦進(jìn)行調(diào)研，并對更換下來的調(diào)高油缸拆解分析得出7LS7型采煤機(jī)調(diào)高油缸故障率高與如下因素有關(guān)：油缸組裝時易損壞導(dǎo)向套的O形圈、導(dǎo)向套的設(shè)計寬度不足和活塞桿的實(shí)際荷載超出設(shè)計值。

1.1 導(dǎo)向套的O形圈易損壞

圖1 7LS7型采煤機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2 調(diào)高油缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（mm）

表2 調(diào)高油缸的相關(guān)參數(shù)

圖3 導(dǎo)向套和缸筒連接處結(jié)構(gòu)圖

圖3 為導(dǎo)向套和缸筒連接處結(jié)構(gòu)圖。該型號采煤機(jī)調(diào)高油缸的導(dǎo)向套與缸筒之間通過M380×P螺紋連接，依靠O形圈實(shí)現(xiàn)密封。在安裝導(dǎo)向套時，通過緩慢旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向套使O形圈被壓入缸筒預(yù)留的合止口處。O形圈在進(jìn)入預(yù)定的位置時需要被旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)向套推著軸向移動A mm，在這個過程中O形圈也會在導(dǎo)向套的帶動下與缸筒之間做相對摩擦運(yùn)動。O形圈在安裝過程中發(fā)生的摩擦移動距離S計算公式為：

式中：S為O形圈摩擦移動距離，mm；A為O形圈安裝過程中發(fā)生軸向移動的距離，mm，取15.5 mm；P為M380×P螺紋的螺距，mm，取6mm；R為M380×P螺紋的半徑，mm，取376 mm。將數(shù)據(jù)代入式（1）計算得，對于7LS7型采煤機(jī)液壓油缸的S為6103 mm，即在安裝過程中O形圈再摩擦旋轉(zhuǎn)6.1 m才能進(jìn)入預(yù)設(shè)位置。由于螺紋的加工不可避免會存在一定的誤差，導(dǎo)致導(dǎo)向套筒與筒缸之間對應(yīng)的螺紋存在同心度差等，使O形圈在安裝摩擦過程中出現(xiàn)扭曲、磨損和拉裂等破壞。再經(jīng)過一段時間的使用，在安裝時已經(jīng)發(fā)生損壞的O形圈就會出現(xiàn)密封失效，導(dǎo)致調(diào)高油缸內(nèi)的液壓油發(fā)生泄漏。圖4為檢修時拆卸下來的O形圈實(shí)物圖，O形圈不規(guī)則的斷口證明在安裝時就已經(jīng)發(fā)生破壞。

圖4 已破壞O形圈實(shí)物圖

1.2 導(dǎo)向套的設(shè)計寬度不足

圖5 為調(diào)高油缸的局部結(jié)構(gòu)圖?；钊麠U依靠安裝在調(diào)高油缸有桿側(cè)導(dǎo)向套內(nèi)部的導(dǎo)向環(huán)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向的功能。在導(dǎo)向套的內(nèi)部設(shè)有組合密封實(shí)現(xiàn)密封缸筒有桿腔。導(dǎo)向套的外側(cè)還設(shè)有防塵圈來阻擋活塞桿進(jìn)行運(yùn)動時帶入的灰塵等雜質(zhì)，避免這些雜質(zhì)破壞組合密封。因此，導(dǎo)向套必須設(shè)計有導(dǎo)向環(huán)、密封裝置和防塵圈等部件。如果導(dǎo)向套的設(shè)計寬度太大會使油缸的尺寸隨之增大，導(dǎo)致導(dǎo)向桿與活塞桿之間發(fā)生過多摩擦；若導(dǎo)向套的設(shè)計寬度不足又會使導(dǎo)向長度不足，而且在活塞桿全部伸出后的初始撓度增大，對調(diào)高油缸的穩(wěn)定性相當(dāng)不利。調(diào)高油缸的導(dǎo)向長度H應(yīng)滿足如下公式：

圖5 調(diào)高油缸局部結(jié)構(gòu)圖

式中：H為活塞支撐面中點(diǎn)與導(dǎo)向環(huán)滑動面中點(diǎn)之間的距離，mm；S為最大工作行程，mm，取1020 mm；D為調(diào)高缸筒的內(nèi)徑，mm，取350 mm。將數(shù)據(jù)代入式（2）計算得，調(diào)高油缸的導(dǎo)向長度H至少應(yīng)為226 mm，而7LS7型采煤機(jī)調(diào)高油缸的實(shí)際導(dǎo)向長度為120 mm，相對計算值嚴(yán)重偏小。活塞與導(dǎo)向套的寬度不足是調(diào)高油缸的導(dǎo)向長度不足的直接原因[3]。調(diào)高油缸的實(shí)際導(dǎo)向長度不足會使油缸在伸出過程不能很好的導(dǎo)向，從而活塞桿對防塵圈和組合密封造成擠壓，最終使其密封失效漏油。

1.3 活塞桿的彎曲承載力不足

若調(diào)高油缸的支撐長度（1318 mm）大于活塞桿半徑（87.5 mm）的10倍時，應(yīng)對活塞桿的彎曲穩(wěn)定性進(jìn)行校核。根據(jù)調(diào)高油缸的實(shí)際工作特征，假定其受力在軸線上，通過如下公式進(jìn)行驗(yàn)算：

式中：Fz為作用在調(diào)高油缸上的許用軸向力，N；M為實(shí)際彈性模量，MPa，取1.8×105MPa；L為活塞桿截面的慣性距，m4，取4.63×10-6m4；δ為安全系數(shù)，取值范圍為3.5～6.0，取3.5；γ為液壓油缸的導(dǎo)向系數(shù)，通過查表取0.6587；Lz為調(diào)高油缸的支撐長度，m，取1.318 m。將數(shù)據(jù)代入式（3）計算得，作用在調(diào)高油缸上的許用軸向力Fz為3.118×106N。由于其為上置式調(diào)高油缸，因此在采煤機(jī)處于臥底狀態(tài)時，活塞桿會從油缸中全部伸出，此刻活塞桿處于彎曲穩(wěn)定性最差的狀態(tài)。液壓系統(tǒng)的安全閥在活塞桿將要全部伸出時打開，此時油缸內(nèi)的瞬間壓力快要達(dá)到安全閥溢流壓力35 MPa，這個時候調(diào)高油缸推力Ft的計算公式為：

式中：Ft為調(diào)高油缸推力，N；PM為安全閥溢流壓力，MPa，取35 MPa；r為調(diào)高油缸的缸筒大腔半徑，mm，取175 mm。經(jīng)過計算可知，調(diào)高油缸推力Ft為3.3367×106N，大于作用在調(diào)高油缸上的許用軸向力Fz為3.118×106N，因此活塞桿會處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，一旦遇到工作面底板較為堅硬等惡劣環(huán)境時，極易引起活塞桿折斷。

2 改進(jìn)優(yōu)化

2.1 采用導(dǎo)向套分體設(shè)計

針對在安裝導(dǎo)向套時易損傷O形圈的缺陷，采用導(dǎo)向套分體設(shè)計，設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖6所示。設(shè)計的分體式導(dǎo)向套的O形圈直接壓入缸筒內(nèi)側(cè)預(yù)設(shè)的合止口處，通過外側(cè)的螺紋和8-M16×60螺釘進(jìn)行固定，來避免在裝配的時候O形圈就已經(jīng)被損壞的缺陷。

圖6 分體式導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)圖

2.2 擴(kuò)大導(dǎo)向套

導(dǎo)向套因?qū)挾炔蛔阍斐苫钊麠U擠壓防塵圈和組合密封而漏油，但調(diào)高油缸所處的位置限制無法對牽引部與搖臂的連接關(guān)系進(jìn)行改造。經(jīng)過理論計算，只能對活塞桿連接頭后部進(jìn)行改造。對于導(dǎo)向套增加10 mm的寬度，并把活塞桿連接頭后部桿直徑縮小10 mm。圖7為改進(jìn)后的導(dǎo)向套。

2.3 降低溢流壓力

增加導(dǎo)向套寬度可以緩解由于抬高油缸大行程導(dǎo)致的活塞桿達(dá)到的失穩(wěn)狀態(tài)，還可以增加活塞桿的桿徑來提高活塞桿的失穩(wěn)臨界下限或者降低調(diào)高油缸溢流閥的安全溢流壓力來減小調(diào)高油缸推力到活塞桿的失穩(wěn)臨界下限以下。但是若采用增加活塞桿直徑的方法會導(dǎo)致油缸小腔的推力減小。因此決定采用將調(diào)高油缸溢流閥的安全溢流壓力從35 MPa降至32 MPa來避免活塞桿出現(xiàn)失穩(wěn)的問題。

圖7 改進(jìn)后的導(dǎo)向套

3 現(xiàn)場應(yīng)用

將經(jīng)過改進(jìn)的調(diào)高油缸安裝到某礦7LS7型采煤機(jī)上，在3個月的現(xiàn)場試驗(yàn)期間，沒有出現(xiàn)因?qū)蛱缀透淄驳拿芊馐?dǎo)致液壓油泄露或者活塞桿的活塞端頭發(fā)生變形等故障。因此經(jīng)過改進(jìn)的調(diào)高油缸穩(wěn)定可靠，用于密封的O形圈壽命有效延長，并且優(yōu)化后的油缸未影響到采煤機(jī)的生產(chǎn)使用，基本達(dá)到了對7LS7型采煤機(jī)調(diào)高油缸的改進(jìn)目標(biāo)。

4 結(jié)論

經(jīng)過采用導(dǎo)向套分體設(shè)計、擴(kuò)大導(dǎo)向套和降低溢流壓力等改進(jìn)優(yōu)化之后的調(diào)高油缸在實(shí)際使用中未出現(xiàn)漏油的問題，彌補(bǔ)了原有設(shè)計的缺陷，降低了7LS7型采煤機(jī)調(diào)高油缸的維修成本。

[1]任飛.神東煤炭集團(tuán)JOY7LS8大采高采煤機(jī)搖臂調(diào)高油缸損壞原因分析及改進(jìn)措施[J].電子世界，2014（17）：11-14.

[2]李娟，辛致遠(yuǎn)，馬宇航.大功率采煤機(jī)調(diào)高油缸斷裂原因分析和解決措施[J].煤礦機(jī)電，2013（3）：122-123.

[3]王興東，王澤鵬.井下矸石連續(xù)充填舊巷的機(jī)械化工藝[J].鐵法科技，2011（2）：11-16.