压路机覆盖件气弹簧失效研究及设计

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压 路 机 覆 盖 件 气 弹 簧 失效 研 究及 设 计口 赵洪旺 口 肖 春 - 口 齐振锋 口 李统业1．三一重工股份有 限公 司路机研究 院 长沙 4101002．中国核动力研究设计 院 成都 ．610000摘 要：结合应用实际与试验结果，分析了SSR型压路机覆盖件气弹簧失效的原因，对气弹簧的使用寿命进行 了理论计算，结果与实际情况非常相符。在此理论基础上，提出了解决气弹簧早期失效的方案，其原因分析过程及解决方案对其它工程机械此类 问题 的处理也有一定借鉴意义 。

关键词：压路机 覆盖件 气弹簧中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1000—4998f2013)10—0053—03气 弹簧 作 为 一 种 蓄 能 元 件 以其 优 越 的非 线 性 特性 和 缓 冲 性 能 ，近 年 来 在 各 种 工 程 机 械 上 得 到 了 越 来越 广 泛 的应 用 ?，作 为 振 动 压 路 机 覆 盖件 支撑 关 键 部件 的气 弹簧 属 动 密封 ，密 封 的又 是 气体 ，因为 密 封 气体要 比密封 液 体更 加 困难 (液 压 间 隙为 0．103～0．105 mm，而气 动 间 隙要 求 小 于 0．101 mm)[23。加 之 压 路 机 恶 劣的高 温 高 尘 工 作 环 境 ，使 气 弹 簧 泄 漏 时 常发 生 ，因此有 必 要对 其 失 效原 因作 深 入分 析 与UF究 ，再 进 行优 化设计 ，提 高 其使 用 寿命 。

1 失效分析1．1 当前 理 论 气 弹 簧 的失 效 主要 原 因 有 ：使 用 环境 温度 超 出一30～+80c【=范 围 ，振 动 环境 引起 早期 磨损 ，高 尘环 境 引起早 期磨 损 等 。拆 检 发 现 ，气 弹 簧 内密 封 圈 有严 重磨 损和 轻微 变 形 ，而且 密 封 圈有偏 磨 现 象 (图 1)，密 封 圈 的损伤 可 导致 气 弹簧 的泄 漏从 而产 生早 期 失效 故 障 。分析认 为 ，气 弹 簧挠 度 过 大可 引起 密封 圈受 力 不 均 ，压路机 气 弹 簧 所处 振 动 环境 可 引 起 密封 圈磨 损 ，以下 就这 两 方 面 进 行 分 析 论 证 。

1．2 挠 度 计 算挠 度 表 征 了 构 件 在 弯 曲 变 形 时 ，横 截 面 形 心 沿 与轴线 垂 直 方 向的线 位 移 ，结 合相 关 参 数 可 判 断 构件 的稳 定 性 ．下 面 计 算 SSR 型 压 路 机 覆 盖 件 气 弹 簧 最 易 变形 的 活 塞 杆 受 力 后 的 稳 定 性 。

覆盖 件 绕 D点 转 动 开启 时 ，使 气 弹 簧 AB 伸 缩 且绕 A点 转 动 (见 图 2)。质 心在 点 C，气 弹簧 自身 质量 忽略不 计，近 似地 看 成 均质 杆 。完 全 开启 后 ，气 弹簧 所 受轴 向力 即气 弹簧支 撑力 F：F=Qga／(bn) (1)式 中 ：Q为 覆 盖 件 质 量 ，Q=168 kg；g为 重 力 加 速 度 ；0为质 心至 回转 中心 的距 离 ，0=1 263 mm；n为气 弹簧 个收稿 13期：2013年 4月机械制造51卷 第590期数 ．n=2；b为 气 弹 簧 活 塞 杆 伸 展 时 有 效 力 臂 ，b=l 250mm。 代 入 式 (1)，得 F=830．4 N。

BYQ14型气 弹簧 活 塞杆 直径 d=14mm，长 L=I 400mm，细 长 比为 L／d>15，故把 它作 为细 长杆 来处 理 。气弹簧缸 体 与活 塞 间 、活 塞杆 与 导 向套 间有 间 隙，所 以 它不是简 单 的受压 杆件 ，其 极 限力 与气 弹簧 的安装 形式 、活塞杆 直径 和行程 有 关 。取 ：气 弹簧 安装 长 度 =l 400m m ，活塞 杆 半 径 K=7 mm，钢 的柔 性 系数 m=85，以气弹簧 安装 方式 决定 的系数 ，两端 为球 铰时 ，i=1。

贝U L／K=1 400／7=200；rni=85x1=85；故 L／K>mi。

极 限应 力应 用 欧拉公 式 计算 ：Fk=iW2EJ／L (2)式 中 ：E为 活塞 杆 材 料 的弹 性模 数，E=210 GPa；J为 活塞杆 惯 性矩 ，对 于实 心杆 ， 盯d4／64 11 ；d为 气 弹簧 活塞 杆 直 径 ， =14 mm。代 入 式 (2)，得 Fk=1 991．1 N。

稳 定 条 件 ： Fo≤ ／n (3)式 中 ： 为 气 弹 簧 所 能 承 受 的轴 向力 ；n 为 稳 定 性 安全系数 ，一 般 n =2～6 E，取 n 3。

将 已知数据 代 入式 (3)，则：≤ ／n 1 991．1／3=663．7 N气 弹 簧 所 承 受 的轴 向力 830．4 N 大 于 其 稳 定 力(所 能 承受 的轴 向力 )663．7 N，即气 弹 簧会 因承 受轴 向力过 大使气 弹 簧杆 产生 挠度 弯 曲变形 而 导致漏 气 。

1：3 振 动 试 验由于 压路机 在 工作 过程 中 ，钢轮 振动 激励 车架 产2013／10生 较 大 振 动 烈 度 (见表 1)，且 气 弹 簧 与 车 架 间并 无 减振 机 构 ， 由 此 引 起 的 气 弹 簧 缸 体 与 活 塞 杆 间 的相 对 位移 (以下 简称气 弹 簧位 移 )可能 是气 弹簧 损 坏 的重要 因素 。具体 试验 过程 是将 拉 线位 移传 感器 用 扎带 固定 于缸体 上 ，将 接 线 固定在 活 塞杆 上 ，将 加 速度 传感 器置 于钢 轮 减 振 块 安 装 板 上 ，关 闭 压 路 机 覆 盖 件 。为 了 保 护 压路机 ，在 整个 测试 过程 中都将 压路 机置 于橡 胶跑 道 上 。

用 DEWETRON-21 1数 据 采 集 仪 记 录 高 频 振 动 、低 频振 动 两 种 工 况 下 的 数 据 。

表 1 SSR型压路机后车架振 动烈度振动烈度／(ram·s )工况 测点第 1次 第 2次 第 3次 平均高频后车架一前 2．00 4．97 5．05 4．01后车架一左 1．6l 1．58 1．71 1．63 低
幅后车架一右 l-31 1-38 1．34 1．34低频后车架一前 7．19 5．85 5．76 6．26后车架一左 4．98 5．19 5．11 5．09 高
幅后车架一右 3．28 3．14 3．49 3-3O试 验 表 明 ，SSR 型 压 路 机 钢 轮 的 振 动 是 覆 盖 件 气弹簧 位移 产生 的 主要 原 因 ，且 钢轮 加速 度 直接 影 响气弹 簧 的 位 移 量 (见 图 3)。钢 轮 的 振 动 周 期 为 2"tr的基 本规 则 的正 弦振 动 ，将 钢轮 振动 加速 度 与气 弹簧 位移 曲线 进 行 局 部 分 析 (图 4)可 以 明 显 看 出 ，气 弹 簧 位 移 与钢 轮 加 速 度 有 相 同 的 周 期 ．且 气 弹 簧 的 位 移 与 钢 轮 的加 速 度 相 位 差 为 可，根 据 加 速 度 与 位 移 的 二 阶 导 数 关 系 ，说 明 气 弹 簧 位 移 是 由 钢 轮 振 动 加 速 度 激 励 引 起 的 。

对低 频振 动工 况下 数据 作 FFT变换 可 以发 现 ，气 弹簧振 动 产 生 的位 移 变 化 与 钢 轮振 动有 非 常 一 致 的频 率(见 图 5)， 其 实 质 是 气 弹 簧 的位 移 是 气 弹 簧 或 覆 盖 件与钢 轮共 振 引起 的。气 弹簧 本身是 个 高压容 器 。其 加工精 度 严 格 ，特 别 是 要 指 出 的 是 ，气 弹 簧 寿 命 主 要 取 决 于活 塞杆处 的动 密封 效果 l 4l。SSR型压路 机气 弹簧 振动产生 的 位 移 变 化 ，加 速 了气 弹 簧 密 封 机 构 的 过 早 老 化 ．从 而 成 为 气 弹 簧 早 期 失 效 的 重 要 诱 因 。

对 SSR 型 压 路 机 覆 盖 件 失 效 气 弹 簧 的 拆 解 分 析 ，失 效 的 主 要 原 因 为 内密 封 圈 破 损 ．由 此 。可 以 按 密 封 圈与 活塞 杆相 对位 移 总量 为 一定 值来 计算 压路 机气 弹 簧的理 论 使用 时 间 。在设 计 寿命 内 的密封 圈与 活 塞杆 相对 位 移 为 2L n，当 实 际 使 用 寿 命 为 ．时 ，密 封 圈 与 活塞杆 相 对位 移为 4Y4T1(fx3 600)，由两者 相等 可得 ：两2L' n (4)式 中 ：，J 为气 弹簧 行程 ，对 BYQ14型 L =600 mm：N为气 弹簧 常温 循环 寿命 ，按 设计 值 50 000次计 算 (由于加油 、维 护保 养 开启 覆盖 件次 数 约 1Oh／次 ，这 里可 忽 略 )；／为压 路机 振动 频率 ，取 25 Hz；A 为气 弹簧 位 移 幅值 ，2013／10A=0．22mm，将 数 值 代 入 式 (4)得 T，=757．6 h。

SSR型 压路 机在 低 频振 动 (常 用模 式 )时 ，两 气 弹簧 位移 幅值 为 0．22 llm．可得 振 动压 路机 气 弹簧 的理论 使用 时 间 r厂．，这一 结果 与实 际情况 非常 符合 。

通 过 采 取 在 压 路 机 覆 盖 件 两 侧 加 锁 扣 等 整 改 措 施 后 ．减 小 覆 盖 件 的 振 动 。试 验 结 果 表 明 ，气 弹 簧 的 位移 量 约 O．1l mm(图 6、图 7)，即 A =O．11 mm 时 ，振 动压 路 机 气 弹 簧 的 理 论 使 用 时 间 T． ：l 515．3 h， 理 论 上此 措施 可 以使气 弹簧使 用 寿命 增 加一倍 。

由分 析 可 知 ．覆 盖 件 在 关 闭 后 ，仍 可 在 小 范 围 内作 上 下运 动 。 由于 SSR型压路 机 覆盖 件 刚度 有 限 ，跨度 大 。通 过 减 小 覆 盖 件 与 车 架 之 间 的 相 对 位 移 ，很 难从 根 本上 解决 气 弹簧 密 封 圈早期 磨 损 的 问题 ，因此 ，当前 支 撑 结 构 无 法 从 根 本 上 解 决 气 弹 簧 失 效 问 题 ，需对 覆 盖 件 支 撑 结 构 进 行 重 新 设 计 。

2 改进方案为 了 解 决 上 述 问 题 ．采 用 的 技 术 方 案 是 ：通 过 对 覆 盖件 机构增 设 主 支撑 杆 和副 支撑 杆 。使 气 弹簧 在压缩 状 态 (常 态 )时 与 覆 盖 件 的 振 动 方 向 相 垂 直 ，这 样 在鲁鲁0濑枯- 0．5Omolo曩篓— ． 10029．692 59．383 0l：29．075 01：58．767时 间／s▲图3 SSR型压路机钢轮振动加速度与气弹簧位移量时间／s▲图4 SSR型压路机钢轮振动加速度与气弹簧位移量相位关系g曼龄淑枯O．5 钢耸加速i i基理辈僮 左j／ l位A0 25 50 75 1OO频率／Hz▲图5 低频工况各测点 FFT频谱图：0已曼倒口 屎机械制造51卷 第590期 0·5潍。

融- 0．5暑暑渣掘融时间／s▲图6 整改后钢轮振动加速度与气弹簧位移量钢轮加速度 气弹簧位移幅值有所减小 ．但共振现费 仍 在 在●—广 "O 25 5O 75 1。H0频率／Hz▲图 7 整改后低频工况各测点 FFvr频谱图Ol 铰链屎∞吕昌倒口 躲覆盖件车架 气弹簧 副支撑杆 主支撑杆▲图8 覆盖件完全关闭状态示意图， ， ／， ，
／／。 ／，：／ ／／／ J ．，j-t、 ／、 《r 、／ L========：= 一二 ===：==]▲图9 覆盖件完全开启状态示意图设 备 工作 时 ，覆 盖件 的振 动 只能 引起 气弹 簧极 小 的伸缩 量 ．从 而避 免气 弹簧 磨 损而 过早 失效 。具 体 做法 是将压 路 机覆 盖件 支撑 装 置设 计成 由主支 撑杆 、副 支撑 杆 、气 弹 簧 3部分 组成 的机构 (见 图 8)。当覆 盖件 打 开时 ，副 支撑 杆带 动 主支 撑杆 与 气 弹簧 向上 移动 ，使 支 撑杆与 气 弹 簧 形 成 一 定 夹 角 ， 气 弹 簧 对 主 支 撑 杆 的 力 矩 由零 变 为正值 ，从而 气 弹簧 通过 主支 撑杆 和 副支 撑杆 的推 动来 开启 覆 盖件 。当覆盖 件全 开启 后 (见 图 9)，主支撑杆 和 副支 撑 杆成 一条 直线 ，覆 盖件 被 锁定 ，此 时气 弹簧 不再 受力 ，故 不 会产 生挠 度过 大 而使 之失 稳 的情 况 。

当覆盖 件关 闭时 ．相应 机 构推 动 主支撑 杆 或 副支撑杆 使 之打 破 锁定 状态 后 ，覆盖 件 通过 副支 撑 杆 和主昌g淤q敲1 l． I ．f “ J I●舢，． ^ lL． 山 I 6 H 一 l 黝i
l。1r1一 ? “I f 1I1iIl聊 c ’‘0．0o10．00050- 0．0005时间，s▲图 10原压路机覆盖件气弹簧位移i．』 ?。 』．i～ J lJL16 _31 47 62 78 94 I f 2 14i 1 7机械制造51卷 第 590期支 撑 杆 对 气 弹 簧 进 行 压 缩 ，同 时 副支 撑 杆 与 气 弹 簧 间 的 夹 角 逐 渐 减 小 ，直 到 两 者 平 行 ，此 时 覆 盖 件 完成 关 闭 。通 过 几 何 关 系 对 SSR 型 振动 压 路 机 中 气 弹 簧 压 缩 状 态 位 移数据 (图 10)进行 计 算 ，可得 同种 工况 新 方 案 覆 盖 件 支 撑 结 构 中 气 弹簧处 于 压缩 状 态 时 的位 移 数 据 (图11)，可 以 看 出 ，后 者 比前 者 减 小 约 4个 量 级 ，其 原 因是 ，覆 盖件关 闭后 气 弹簧 处于水 平 状态 ，覆 盖件 垂直 方向的振 动只 能引起 气 弹簧 一个 -'h角 度 的往 复摆 动 。此角度 引起 的气 弹 簧 的伸 缩 量极 小 ，从而 避免 气 弹簧 磨损 而 过 早 失 效 。

3 结束语以 SSR压 路 机覆 盖 件气 弹 簧 为例 ，5-'／"析 了气 弹 簧失 效 的一 般原 因 ，对气 弹簧 的使 用 寿命进 行 了理 论计算 ，在 此 基 础 上 ，提 出 了 解 决 气 弹 簧 早 期 失 效 的 解 决 方案 ，得 到 的结论 是 ：1)气 弹簧 的挠 度 弯 曲变形 是其 损 坏的原 因之 一 ；2)压 路机 气 弹簧活 塞杆 小 范 围伸缩 位 移是 引 起其 提前 失效 的 主要原 因 ，压路 机钢 轮 的振 动 引起 了这一 位移 ；3)对 同型号 的气 弹簧 ，其 密封 圈与 活塞杆相 对位 移 总量 为一 定值 ．基 于这 一理 论 可 以预测气 弹 簧 的工作 时 间 ；4)通过 减小 覆盖 件振 动 可在 一定程 度上 减小 气 弹簧位 移 ，但很 难 从根 本上 解 决这 一 问题 ；5)使 气 弹簧 在 压 缩状 态 (常 态 )下 伸缩 方 向与 钢轮的振 动方 向垂 直 ，可 以很 好地 减小 气 弹簧 的位 移 。

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