甘蔗收获机前轮油缸活塞脱落改进

2022-06-10蒋玲丽高名乾

装备制造技术 2022年1期

蒋拓，蒋玲丽，高名乾

（1.柳州柳工液压件有限公司，广西柳州 545007；2.广西柳工机械股份有限公司，广西柳州 545007）

0 引言

食糖是我国四大重要农产品和三大经济作物之一，是关系到国计民生和国家经济安全的重要战略物资。糖业是广西的支柱产业。自2015年以来，广西食糖产量连续15年占全国总产量的60%左右。虽然广西是全国最大的糖料蔗种植区，但甘蔗种植收获的机械化程度低，甘蔗生产多靠人工完成，尤其是收获环节，机械化率仅为4%。相较澳大利亚的种植和收割的100%机械化差距非常大。

国家发展改革委、农业部等国家部委多次召开专题会议，研究部署全国甘蔗生产机械化等工作，印发《推进广西甘蔗生产全程机械化行动方案（2017-2020年）》，把广西甘蔗生产全程机械化问题纳入国家层面部署规划。

广西柳工农业机械股份有限公司响应国家部署，开发了甘蔗收获机。其中，针对广西特有的地貌形态开发了一款180马力的甘蔗收获机，其核心液压元件——油缸均使用我公司产品，该产品受力最复杂的就是前轮油缸，因为其既与甘蔗收获机割台高度的调整相关，又与甘蔗收获机的转向相关。

在甘蔗机前轮油缸开发初期，曾经发生过这样的故障：在甘蔗收获机工作一段时间后，甘蔗收获机的割台高度无法正常调整。经联系服务人员进行分析查看，发现是前轮油缸失效导致割台高度无法调整。服务人员在将故障前轮油缸从甘蔗收获机上拆卸时发现，前轮油缸的活塞杆可以从缸筒中完全拔出。将活塞杆拔出后，本应装配在活塞杆上的尼龙锁紧螺母以及活塞均从活塞杆上脱落了，从而确认了前轮油缸的失效是由于活塞与活塞杆脱落引起的。

1 甘蔗收获机前轮油缸结构及其工作原理

广西种植甘蔗的地形是坡地居多，甘蔗收获机在收割甘蔗时需要调整割台高度以确保收割的甘蔗高度合适；同时甘蔗种植地块较小，甘蔗收获机在收割时也需要时常调整收割方向。在甘蔗收割时经常会出现调整割台高度的同时调整转向的工作情况。这种工况下对甘蔗收获机的前轮油缸的要求要比普通的液压油缸要求高。因为作为甘蔗收获机的核心液压元件之一，前轮油缸在甘蔗收获机调整割台高度和转向的工况下，既要承受甘蔗收获机的重量，又要承受整车的转向力。

前轮油缸安装位置如图1所示，油缸上方的活塞杆杆头与车架连接，当油缸做直线往复运动时，活塞杆伸缩的过程便使车架实现高度的变化。油缸下方的销轴与轮毂相连接，油缸的异形板与转向油缸相连接，当前轮油缸受到转向力时，便由销轴带动两轮胎实现甘蔗收获机转向的功能。

图1 油缸在整机上的安装位置

2 原因分析

前轮油缸是直线往复运动油缸，油缸中活塞与活塞杆依靠尼龙锁紧螺母连接锁紧[1，2]，如图2所示。当甘蔗收获机仅调整隔台高度时，前轮油缸只需承受整机重力做直线往复运动即可，根据甘蔗收获机的整机要求测算，前轮油缸是完全能够满足要求的。但是，由于甘蔗收获机经常出现调整隔套高度的同时调整转向的工作情况。在该工况下，油缸的活塞杆固定不动，缸筒与活塞杆相对旋转时，缸筒旋转的力通过活塞上的导向环传递给活塞，使活塞获得一个扭矩，从而使活塞与尼龙锁紧螺母存在相对转动的趋势。当活塞受到的扭矩比尼龙锁紧螺母螺纹连接紧固的力大时，尼龙锁紧螺母的螺纹连接会松动，久而久之就会松脱。活塞与活塞杆变会失去螺纹连接锁紧的力，活塞从活塞杆中脱出，导致油缸失效不能进行作业。如图3所示。

图2 未失效的活塞、尼龙锁紧螺母与活塞杆的状态

图3 失效的活塞、尼龙锁紧螺母与活塞杆的状态

3 改进措施

（1）取消活塞与活塞杆的尼龙锁紧螺母连接，更换成锁紧螺母连接，并在活塞与活塞杆连接的锁紧螺母中增加一个卡环防止螺纹松动，该卡环是G形钢丝卡环，直径φ2.5 mm。卡环的一端从锁紧螺母中穿过插入活塞杆中，如图4所示。增加G形卡环的措施使活塞与活塞杆螺纹连接的防松效果更好。将增加G形卡环的前轮油缸装在甘蔗收获机中进行装机测试，前轮油缸发生活塞脱落的几率变小了，即使发生了活塞脱落，甘蔗收获机的工作时间也延长至原来的2倍工作时间。这种改进措施虽然有效，但并不能完全解决活塞脱落的故障，还需要制定其他的措施[3]。

图4 G形卡环装配后示意

（2）前轮油缸工作过程中，由于活塞杆是固定的，若在油缸整个工作过程中将活塞与活塞杆的相对位置保持固定不变，活塞便不会从活塞杆中脱落，造成油缸失效。根据这一想法，在活塞与活塞杆连接部位增加一个平键连接，如图5所示。通过该平键，活塞与活塞杆就连接成一体。此时，活塞要想从活塞杆中脱落，必须克服锁紧螺母的螺纹连接力及G形卡环的力，并破坏掉活塞与活塞杆之间的平键[4]。

图5 G形卡环+平键装配后示意

（3）当甘蔗收获机在割台高度为最高时进行转向，也就是前轮油缸活塞杆行程完全使用时进行转向的工况。前轮油缸的导向套与活塞的端面是接触的，同时导向套随着缸筒的旋转而转动，这时，活塞仍可受到来自缸筒的转向扭矩。虽然有了上述2点的改进措施，活塞不至于从活塞杆中脱落，但是导向套与活塞接触的端面会因缸筒的旋转而导致磨损，磨损产生的铁粉会污染油缸中的油液，从而造成油液清洁度差引起油缸失效，甚至整个液压系统的失效。为避免此种情况发生，在油缸的活塞与导向套之间增加一个平面轴承，使缸筒的旋转扭矩不能通过导向套传递给活塞，避免导向套与活塞的直接接触，从而将活塞与导向套端面磨损的风险降低为零[5]。