浅析挖掘机工作装置轴与轴套的配合及设计问题.pdf

浅析挖掘机工作装置轴与轴套的配合及设计问题 杨军1 元海兵2 1 内蒙古北方重型汽车股份有限公司 2 阿特拉斯工程机械有限公司 摘要 对挖掘机工作装置轴与轴套的配合在使用状况中的影响进行定性的分析 提出可能 出现的问题及影响因素 对轴与轴套的间隙设计计算实例进行详细说明 在设计计算上考虑8 种 影响配合间隙的因素 并与同行业的其它代表性产品作类比分析 给出轴与轴套配合间隙选取值 的范围 对轴套与焊接套的过盈量选取作了定性分析 并给出过盈量选取值的一般原则 对于设计 轴和轴套需要注意的问题作详细的阐述 特别是对轴和轴套的材质 表面硬度以及表面粗糙度给 出选取的原则 并对形位公差等级的选取加以详细说明 关键词 挖掘机 工作装置 轴 轴套 配合间隙 挖掘机的工作装置是挖掘机发挥作用的关键部 件 而工作装置铰接处的轴和轴套又是工作装置的 关键部位 工作时轴和轴套之间相对转动且传递载 荷 如何合理地选择轴和轴套的配合 合理地设计轴 和轴套 直接影响到挖掘机工作的可靠性 1 轴与轴套的配合对使用状况的影响分析 工作装置中轴与轴套配合包括轴和轴套的间隙 配合 轴套与焊接套的过盈配合 如图1 所示 如果 轴与轴套的配合间隙小 则难以形成稳定的润滑油 膜 工作时将会因摩擦升温而导致轴和轴套的干磨 圈1轴与轴套安装圈 烧焦和抱死等现象 如果轴与轴套的配合间隙过大 则会存在较大的冲击载荷 导致轴套与轴之间产生 接触疲劳而损坏 严重影响轴和结构件的使用寿命 另外 配合间隙的大小与配合副以及其它零件的形 位公差 安装误差也有直接关系 设计时需考虑 如果轴套与焊接套的过盈量小 则会因轴套与 焊接套的接合力偏小出现窜套等故障 如果轴套与 焊接套的过盈量过大 则会给生产装配带来困难 2 轴和轴套之间最小间隙计算及选取 轴和轴套之间的间隙在保证能形成稳定的润滑 油膜的基础上 综合考虑其它因素情况下 最小间隙 可通过下面理论公式进行估算 1 血 I I l 啊1 2 R a l 尺耐厶l 巾A 1 式中 而广一油膜厚度最小安全值 斗m 当轴径为 7 0 9 0m r f l 时 油膜厚度最小安全值取 6 斗m 轴径为1 0 0 1 2 0n 吼时 油膜厚 度最小安全值取8p m 竹广 啪在轴套长度内的相对挠曲变形量 斗m R a 舶的表面粗糙度 斗m R a f 舶套内表面粗糙度 斗m 广 舶在轴套内一段的直线度 归 厂 舶套内圈的圆度 斗m 厶广 装配后轴套内孔收缩量 阻m 作者简介 杨军 1 9 7 1 一 男 内蒙古人 高级工程师 硕士 研究方向 机械电子工程 一3 8 万方数据 广轴与轴套的间隙因温升而减少的数值 I L m o 现以A T L A S2 3 0 6 L C 型履带式液压挖掘机为 例 计算动臂和斗杆铰接处的轴和轴套最小配合间 隙 轴径为8 0m i l l 油膜厚度最小安全值h s 6l a m 对轴作挠度分析 取最大挖掘力工况 动臂和斗杆液 压缸作用力臂最大 斗齿尖 铲斗与斗杆铰点和斗杆 与动臂铰点共线时 铲斗挖掘为计算工况 如图2 所 示 根据液压系统压力3 4M P a 计算出此工况下动 臂与斗杆铰接处受力为5 2 0k N 再根据有限元计算 分析得出轴在轴套长度内的相对挠曲变形量 y 1 2 5 1 斗m 轴的表面粗糙度R l 0 8 斗m 轴套内表面粗糙 度R 正 1 6p m 选择直线度公差等级I T 6 根据轴的 长度 选定销轴在轴套内一段的直线度A 1 5 斗m 选择圆度公差等级1 1 7 根据轴套内孔直径 选定内 圈圆度 d 8 斗m 轴套内径8 0m i n 外径9 5n l l n 轴套和焊接套最 大过盈量为3 6 9 3 斗m 时 采用有限元分析计算轴 套装入焊接套后内孔的最大收缩量A 8 2 恤m 轴在温度升高时会产生热膨胀 温度升高时轴 直径的增大是导致间隙的减少量 l 近似计算公式 如下 z l F d a c t t 2 式中 卜轴的直径 m m a r 钥的线膨胀系数 o c 1 2 1 0 巧 1 iC E 温升 在恶劣的工况下 挖掘机的温升经常达到4 0 当温升为4 0 时轴与轴套的间隙减少量为 l 8 0 1 2 1 0 6 4 0 0 0 3 8 4 m i l l 根据公式 1 得最小间隙 面为 面 6 51 0 8 1 6 15 8 8 2 3 8 4 2 0 2 8I r m 日本小松P C 系列液压挖掘机和美国卡特彼勒 液压挖掘机工作装置的轴与轴套之间的间隙 当轴 径为巾8 0l n l n 时 配合间隙取值在0 3 0 4i n n 之 间 但是 A T L A S 的产品有其设计的独特之处 那就 是轴两端没有设置防尘圈 当轴和轴套的配合间隙 取值较大 在实际使用过程中会出现工作装置冲击 图2 最大挖掘力工况 一3 9 万方数据 较大 发出异响 若异物侵入会加剧轴和轴套的磨 损 考虑到这个特点 故选取间隙为O 2 0 2 8r a i n 较为合适 3 轴套与焊接套的过盈量的选取 工作装置轴套的种类繁多 主要按其材料分为 钢轴套 铜轴套和钢铜复合轴套 其中钢轴套应用较 为广泛 轴套的装配方式主要有两种 一种为液氮冷 却装配 另一种为压力机压装配 这里仍以A T L A S 2 3 0 6 L C 型履带式液压挖掘机为例 在钢轴套使用液 氮冷却装配的情况下 综合考虑轴套装配后恢复到 常温内孔的收缩量及装配的实际操作性等因素 轴 与轴套过盈量配合选取为q b 9 5 H 7 t 6 即过盈量为 0 0 5 6 0 11 3m i l l 如果采取压力机压装配 过盈量 可适当再增大 根据经验值可选取为0 1 0 0 2 0 m m 以I 4 设计过程需要注意的其它问题 一般情况下轴的材料选用3 5 号以上优质碳素 结构钢 材料经调质 淬火等表面处理后 硬度应超 过轴套硬度 经验选取轴的硬度比轴套硬度大 1 0 0 1 5 0H B 可收到比较理想的效果 当有硬物侵 入时 就可把硬物嵌人到轴套中而不损伤轴 否则就 会降低轴的使用寿命 轴的表面粗糙度较大时 轴与 轴套的突起部分会切断油膜 造成两者直接接触 一 般情况下轴的表面粗糙度尺a 值应不大于0 8 斗m 圆 轴套内表面粗糙度R a 值应不大于1 6 斗I n 罔 轴套的设计首要考虑的是使用寿命 其寿命除 烧焦外主要是由轴套内径的磨损量决定的 磨损量 主要受摩擦条件的影响 而摩擦又受承载 速度 密 封质量 表面粗糙度 工作温度 不同运行方式和所 使用润滑剂等条件的影响 因此 磨损量只能是一个 理论估计值 在正常情况下 铜轴套 z C u 灿l O F e 3 M I l 2 磨损量可由下式近似得出 W K x P x V x T 3 式中 形 磨损量 l n l n 卜磨擦系数 m m 2 6 00 0 0N 卜承载压力 N r a m 卜嘲速度 m r a i n 卜磨损时间 h 通常所谓承载压力是指轴套承受载荷时 轴套 支撑的最大载荷除以受压面积 所谓受压面积 当轴 4 0 套为圆筒形时 取与轴套接触部分的载荷方向的投 影面积 通常轴套的发热主要是因轴套的摩擦作用引起 的 由此可见 轴套的寿命主要是由P V 值决定 P V 值决定着轴套的发热量 所以在设计轴套时尽可 能使用较低的P V 值 轴孑L 配合的形位公差在设计时要求有较高的加 工精度 实践表明 太低的形位公差也是造成销轴与 轴套磨损 甚至导致挖掘机工作装置出现损坏而影 响结构件寿命的主要因素 但是设计时也要考虑实 际的加工设备的精度 太高的精度要求是要付出高 昂生产成本的 参考国内外其它厂家的工作装置轴 孔形位公差要求 考虑实际加工设备的精度 建议形 位公差选取原则为两侧轴孑L 的同轴度选择I T 6 I T 7 级 轴孔间平行度选择1 1 7 一I T8 级 两侧轴孔的 对称度选择I 1 7 I T8 级 孔轴线和对称面的垂直度 选择I r l 7 一I I 8 级 加工 装配轴孔配合副时 严格保 证形位公差等级 尽量减小对配合间隙的影响 5 结论 1 挖掘机工作装置轴和轴套之间的配合间隙 直接影响到工作的可靠性 配合间隙过小 难以形成 稳定的润滑油膜 易造成磨损甚至断裂破坏 配合间 隙过大 影响到接触疲劳寿命 2 挖掘机工作装置轴和轴套配合间隙至少要 保证形成稳定的润滑油膜 最小配合间隙的确定要 考虑的因素包括 油膜厚度最小安全值 在轴套内轴 的相对挠曲变形量 轴与轴套的表面粗糙度 在轴套 内轴的直线度 轴套内圈的圆度 装配后轴套内孔收 缩量以及轴套间隙因温升而减小的数值 3 轴套与焊接套之间的过盈量要综合考虑轴 套装配后恢复到常温的内孔收缩量及装配的实际操 作性等因素 4 轴的设计除了要考虑材料以外 应该考虑 其表面硬度和粗糙度 特别强调了轴的表面硬度应 该大于轴套的表面硬度大约1 0 0 1 5 0H B 轴的表 面粗糙度尺a 值应不大于0 8 m 轴套内表面粗糙 度尺a 值应不大于1 6I J m 提出轴套的设计首要考 虑的是其使用寿命 应尽可能使用较低的P V 值 同 时也提出要严格保证轴孑L 配合副的加工 装配形位 公差 尽量减小对配合间隙的影响 5 按照以上的设计方法 在A r I I A S 挖掘机上 万方数据 改进设计后 在实际使用中效果很好 2 J G T 5 11 7 1 9 9 9 液压挖掘机工作装置用销轴 s 3 J G f r 5 11 8 1 9 9 9 液压挖掘机工作装置用销套 S 参考文献 1 杜文靖 王国强 崔国华 等 液压挖掘机工作装置铰点通信地址 包头市内蒙古北方重型汽车股份有限公司技术 轴和轴套间隙计算模型 J 农业机械学报 2 0 0 7 0 8 中心 0 1 4 0 3 0 收稿日期 2 0 0 8 0 5 2 2 赵殿华1 赵泽超1 李兰英2 1 泰安泰山工程机械股份有限公司 2 泰安航天特种车有限公司 十 舢舢舢舢驰卫皿卫皿皿舢皿舢舢皿j L 舢 舢龇舢皿且舢掣舢舢取 皿皿 皿舢舢皿 止 I 摘要 为了更好地解决固定部件和移动部件之间的锁紧问题 设计了一种新型楔形锁紧装置 其上作t j 原理是依靠楔形块之间的静摩擦力来约束两个具有相对运动部件之间的运动 对装置的动楔块 夹紧臂等关 3 键部件进行理论力学计算分析 优化关键参数 将楔形锁紧装置在P o E 中进行结构建模 设定工作参数后 I 在A D A M S 中进行运动仿真分析 验证楔形锁紧装置设计的可行性 获得模拟样机数据 提高了样机试制精t 3 I 确度 缩短实验周期 有效解决了工程机械领域设备中快速锁紧问题 保证设备安全及使用可靠 啼1 f 竹一1 叶一1 中1 f 1 叶一1 叶一1 f 竹1 叶 竹1 f 1 r 1 叶一1 呻 竹1 f 竹1 中1 咋一1 f 竹竹1 r 竹竹1 中1 叶一1 中竹1 f 1 咋 1 中竹1 咋一1 呻一 r t r l 呻 关键词 楔形 锁紧装置 P r o E A D A M S 在工程机械领域 考虑安全性及使用可靠性要 求 有很多设备部件需要进行锁紧 当前普遍采用的 螺栓联接 在实际应用中存在安装 拆卸不方便的缺 点 尤其在紧急情况下需要立即投入工作状态的装 置 用螺栓联接时不能实现快速解锁及锁紧 严重影 响了工作效率 可能导致发生意外 为了更好地解决 固定部件和移动部件之间的锁紧问题 设计开发了 楔形锁紧装置 该锁紧装置依据锁紧楔面之间的角 度差和由弹簧压缩产生的摩擦力进行锁紧 能满足 固定部件和动作部件之间的快速解锁及锁紧需要 作业稳定性好 结构简单 使用方便 成本低 1 工作原理 楔形锁紧装置主要利用楔形块之间的静摩擦力 来约束两个具有相对运动部件之间的运动 其工作 原理如图l 图3 所示 动楔块l 固定在移动部件 上 夹紧臂2 和弹簧3 组合成静楔块架并固定在非 移动部件上 工作时 在移动部件带动动楔块l 插入 到静楔块架过程中 楔块架的两夹紧臂2 被来自于 作者简介 赵殿华 1 9 7 7 一 男 山东德州人 工程师 主要从事机械设计工作 1 动楔块2 夹紧臂3 压缩弹簧 下同 图1 初始插入状态 4 1 万方数据 浅析挖掘机工作装置轴与轴套的配合及设计问题浅析挖掘机工作装置轴与轴套的配合及设计问题 作者 杨军 元海兵 Yang Jun Yuan Haibi