・５２・ 梅山科技 ２０１２年第３期 齿轮齿条摆动液压缸工作原理及故障分析 罗心伟 （梅山钢铁公司热轧板厂 南京２１００３９） 摘要：介绍了齿轮齿条摆动液压缸的结构和工作原理、扭矩和摆角的计算及其在梅钢热 轧板厂热卷箱的使用过程中出现的常见故障和分析。 关键词：齿轮齿条摆动液压缸；工作原理；故障 Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ｆａｕｌｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｇｅａｒ ａｎｄ Ｒａｃｋ Ｒｏｔａｒｙ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｌｕｏ Ｘｉｎｗｅｉ （Ｈｏｔ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｐｌａｎｔ ｏｆ Ｍｅｉｓｈａｎ Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３９） Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｅａｒ ａｎｄ ｒａｃｋ ｒｏｔａｒｙ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｆａｕｌｔ 齿轮齿条摆动液压缸，是摆动液压马达的一 径向力 种形式，能够输出较大的扭矩、平稳的角速度和角 位移。热卷箱开卷机构的升降就是通过齿轮齿条 摆动液压缸来实现的。 １ 齿轮齿条摆动液压缸的工作原理 齿轮齿条摆动液压缸，是通过液压驱动活塞 的往复运动，带动齿条直线运动，经过齿轮齿条的 啮合，将活塞的往复运动转化为齿轮轴的摆动旋 转运动，同时将直线运动液压缸的推力转化为齿 图１ 油缸装配图 轮轴的输出扭矩。齿轮轴的摆角可以任意选择， 并能大于３６０。，常见的结构形式有单齿式和双 齿式。 １．２齿轮齿条的受力分析 齿轮齿条的受力分析见图２。 齿条运动方向圆周力为： ： 齿条受到的径向力为： ： Ｌ ： １．１油缸扭矩和摆角的计算 图１为一种双齿条摆动油缸，共有４个油腔， 对角的两腔通过连通，每个齿条的两端都安 装活塞，齿条背部安装承压背衬。通过液压力作 用在活塞上，带动齿条运动，齿条带动与其啮合的 齿轮做正反向摆动旋转。 设定Ａ腔压力为Ｐ ，Ｂ腔压力为Ｐ：，活塞直 ２齿轮齿条摆动液压缸的常见故障 梅钢热轧板厂的热卷箱，开卷臂的旋转是 通过双齿式齿轮齿条摆动液压缸来实现的，充 径为ｄ，齿轮模数为ｍ，齿数为 ，活塞行程为ｆ，油 缸摆角为０，齿轮压力角为 。 则油缸输出扭矩为： 分利用了此种油缸可传递大扭矩、旋转角度准 确的优势，实现了热卷箱的准确平稳开卷。在 使用过程中，摆动油缸出现缸筒固定螺栓断裂 ）×下，ｗｄ２ Ｘ ｍｚ＝ 油缸摆动角度为：０：３６０１／ｍｚ 和油缸内泄漏的故障，影响了热卷箱的正常使 用，针对这两种故障进行分析，并制定了解决 方案 罗心伟 齿轮齿条摆动液压缸工作原理及故障分析 。５３・ 图２齿轮齿条啮合受力分析 ２．１缸筒固定螺栓断裂 在使用过程中，频繁出现油缸的缸筒固定螺 栓断裂，并且在同一个缸筒的螺栓反复断裂，断裂 情况见图３。 图３缸筒螺栓断裂 从图３中可以看出，一个缸筒的固定螺栓全 部断裂，导致缸筒掉落。缸筒固定螺栓的材质为 ４０Ｃｒ，调制处理。从螺栓的宏观断口来看，螺栓断 口开始的位置都较为平坦光滑，无颈缩现象，无锥 状４５。斜断口，可判断螺栓是受到较大的剪切力 后发生了剪切断裂。 油缸工作时，通过齿轮齿条啮合的受力分析 可以看出，齿条受到较大的径向力Ｆｒ，方向垂直 于齿条中心。当齿条后方的承压背衬未磨损，齿 轮齿条间隙小时，ｎ作用在背衬上，被缸体抵消； 当背衬磨损后，齿条和背衬之间间隙增大，ｎ就 通过齿条上的活塞作用在缸筒上。当齿轮旋转一 定角度，距离油缸中心线较远的活塞上的径向力， 相对缸筒就产生了一个较大的扭矩，缸筒固定螺 栓承受较大的剪切力，从而造成缸筒固定螺栓 断裂。 因此，在旋转油缸使用一定周期后，要对油缸 进行下线拆检，尤其要检查齿条后方的背衬，磨损 后需及时更换，调整齿轮齿条的相对位置，以防止 齿轮齿条啮合工作时产生的径向力作用在缸筒 上，造成缸筒固定螺栓的损坏。 ２．２油缸内泄漏 在使用过程中，发现油缸在承受载荷并停止 供油的情况下，短时间内出现旋转，遂进行油缸内 泄漏测试，确认油缸发生了内泄漏。对油缸进行 下线拆检，发现活塞出现偏磨，活塞密封损坏，缸 筒内壁出现部分划伤。 密封损坏的原因是：在传递扭矩的过程中，齿 条往复运动，造成齿条后方背衬磨损，在这种情况 下，齿轮齿条啮合时在齿条的径向产生分力，作用 在活塞上，使密封紧紧地贴在缸筒上，在活塞往复 运动时，造成了密封磨损。对于普通的柱塞缸而 言，活塞只承受运动方向上的力，密封在往复运动 的过程中，阻力和摩擦均很小，而齿轮齿条缸活塞 上的密封则要承受较大的摩擦力。 因此，在设计油缸时，应控制齿条与背衬的间 隙，保证齿轮齿条的良好啮合；活塞密封选型时， 应选用大宽度密封，增大密封与缸筒的接触面积； 同时要保证同一个齿条上的两个活塞和缸筒的同 轴度，以减小运动偏心，延长活塞密封的使用周期。 ３ 结语 通过介绍齿轮齿条摆动液压缸的工作原理， 为该型液压缸的故障分析提供了理论基础。齿条 后方的承压背衬的磨损是造成齿轮齿条摆动液压 缸故障的重要原因。 （编辑：马 艳）
