GJR400大型旋挖鉆機(jī)桅桿變幅機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)思路

郭軍銳

摘要：在設(shè)計(jì)GJR400大型旋挖鉆機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)（包括銷軸和軸套）時(shí)，除了選擇合適的材料、表面參數(shù)以外，還要選擇合理的配合間隙。本文通過(guò)如何選擇銷軸的材料、表面粗糙度和硬度等性能參數(shù)的選用、以及鉸鏈處保證潤(rùn)滑良好所需最小配合間隙的確定等，對(duì)變幅機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路提出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：變幅機(jī)構(gòu);鉸點(diǎn);性能參數(shù);強(qiáng)度設(shè)計(jì);配合間隙

大型旋挖鉆機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)主要包含大變幅和小變幅，其鉸接點(diǎn)在桅桿變幅動(dòng)作和鉆機(jī)鉆進(jìn)工作時(shí)承受低速重載的作用，同時(shí)由于工況的復(fù)雜性，還經(jīng)常需要承受巨大的沖擊力。因此，在鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要正確選擇銷軸的材料、表面參數(shù)以及設(shè)計(jì)強(qiáng)度，而且要設(shè)計(jì)合適的配合間隙。為銷軸與軸套的配合選擇一個(gè)合適的配合間隙對(duì)降低整個(gè)工作裝置的故障率，提升其使用壽命有重要意義。

一、鉸點(diǎn)的簡(jiǎn)化模型

按照銷軸與被鉸接件接觸面的數(shù)量劃分，鉸點(diǎn)常見(jiàn)有以下三種：

圖1形式包括各油缸與油缸支撐結(jié)構(gòu)的鉸接點(diǎn)、大變幅油缸與十字軸總成的鉸接點(diǎn)、小變幅油缸和小變幅主體結(jié)構(gòu)的鉸接點(diǎn)等;圖2形式包括增寬支架與上車總成的鉸接點(diǎn)、小變幅主體結(jié)構(gòu)與上車總成的鉸接點(diǎn)等;圖3形式存在于大變幅中大變幅油缸所連的兩個(gè)十字軸總成與桅桿總成的鉸接點(diǎn)。

圖2形式和圖3形式的受力狀況相對(duì)于圖1要復(fù)雜一些，為簡(jiǎn)便計(jì)算，本文中所有的計(jì)算均基于圖1形式。

二、銷軸材料的選擇

1.軸類零件常用材料和性能對(duì)比

目前軸類零件常用的材料有普通碳鋼和合金鋼。其中，普通碳鋼常用的有20號(hào)鋼、35號(hào)鋼、45號(hào)鋼;合金鋼常用的有35CrMo、40Cr、40CrNiMo。目前在工程機(jī)械中以45號(hào)鋼和40Cr使用最為廣泛。

45號(hào)鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，抗拉強(qiáng)度為650MPa，屈服點(diǎn)為360Mpa，經(jīng)調(diào)質(zhì)后具有高強(qiáng)度和高韌性的特點(diǎn)，綜合機(jī)械性能較好，但因其屬于低淬透性鋼，回火之后強(qiáng)度和硬度下降較大;40Cr 為合金結(jié)構(gòu)鋼，抗拉強(qiáng)度為1000MPa，屈服點(diǎn)為800Mpa，具有較強(qiáng)的強(qiáng)度、硬度和沖擊韌性，適用于大軸類零件。在價(jià)格方面，45號(hào)鋼比40Cr便宜;在力學(xué)性能方面，40Cr 要明顯優(yōu)于45 鋼，適用于受力情況比較復(fù)雜以及直徑較大的軸系;在加工工藝方面，在調(diào)質(zhì)之后40Cr 的加工工藝性要比45 鋼更好;在耐磨性方面，45鋼的耐磨性要比40Cr 的耐磨性好。

2.確定銷軸材料

從上面的分析得知調(diào)質(zhì)之后的40Cr合金鋼其強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性和加工性比45 鋼好，但耐磨性不及45鋼，且價(jià)格較貴。但考慮到旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)執(zhí)行變幅動(dòng)作的總體時(shí)間較短，對(duì)其耐磨度要求不是很高，且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)調(diào)質(zhì)后的40Cr銷軸接觸面進(jìn)行高頻淬火來(lái)提高耐磨性;另外，在鉆機(jī)鉆進(jìn)工作時(shí)由于工況的復(fù)雜性和多變性，變幅機(jī)構(gòu)受力狀況也較為復(fù)雜，要承受較大的沖擊力，且大型旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)中銷軸的直徑較大、長(zhǎng)度較長(zhǎng)（直徑達(dá)120mm、長(zhǎng)度達(dá)1514mm）。綜合考慮上述因素，所以選定銷軸桿件的材料為40Cr合金鋼。

三、性能參數(shù)和最小配合間隙的確定

銷軸的使用性能除了材料外，還與銷軸的表面粗糙度、硬度以及配合間隙有關(guān)。銷軸鉸接處失效和故障形式主要有磨損、異響和銷軸抱死。其中，磨損主要受到表面粗糙度、表面硬度和配合間隙因素，尤其是硬度在很大程度上決定了銷軸壽命;異響主要是因?yàn)榕浜祥g隙過(guò)小導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的干摩擦造成的;銷軸抱死是由于長(zhǎng)時(shí)間的工作使銷軸襯套發(fā)熱，造成轉(zhuǎn)動(dòng)面出現(xiàn)粘連損壞，在接觸面產(chǎn)生金屬屑，長(zhǎng)期的惡性循環(huán)使銷軸和襯套的表面出現(xiàn)金屬殘屑切割的凹痕并最終抱死。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)合理的表面粗糙度、硬度和配合公差對(duì)銷軸的使用壽命具有重要意義。

1.表面粗糙度的確定

軸系零件的表面粗糙度（Ra）直接影響軸系的耐磨性、配合穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度以及抗腐蝕性能，且對(duì)其使用壽命和可靠性有重要影響。Ra的數(shù)值越小，軸系配合面的磨損程度會(huì)越小，但是加工費(fèi)用會(huì)增加。有關(guān)研究表明，Ra數(shù)值越小，零件的耐磨性、配合穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性能也越好，但是過(guò)度地降低Ra數(shù)值會(huì)大大增加加工難度并提高制造成本。通過(guò)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參考中小型旋挖鉆機(jī)以及其他工程機(jī)械的鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)思路，銷軸和軸套的粗糙度一般在Ra0.8～Ra3.2μm之間?？紤]到大型旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)工況的復(fù)雜性，為保證使用可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)部分鉸點(diǎn)的表面粗糙度選擇為Ra0.8μm，固定部分或小角度旋轉(zhuǎn)部分的鉸點(diǎn)的表面粗糙度選擇為Ra3.2μm。

2.硬度確定

硬度是衡量材料耐磨性能的重要指標(biāo)之一。在不考慮其他因素的條件下硬度越高的材料，其耐磨性能也越好，但是隨著材料硬度的升高，加工難度增大、塑性和韌性隨之下降。40Cr合金鋼調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。40Cr除調(diào)質(zhì)處理外還適于高頻淬火處理。經(jīng)過(guò)綜合考慮，變幅機(jī)構(gòu)各鉸點(diǎn)的銷軸選擇調(diào)質(zhì)處理HB235～285，高頻感應(yīng)淬火硬度HRC52-60，淬透深度3～5mm。

3.最小配合間隙的確定

設(shè)計(jì)合理的鉸點(diǎn)配合間隙對(duì)變幅機(jī)構(gòu)工作性能的影響很大。若間隙太大，則會(huì)降低鉸點(diǎn)的穩(wěn)定性，增大變幅機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中的自由擺動(dòng)幅度，進(jìn)而影響旋挖鉆機(jī)的工作穩(wěn)定性;若間隙太小，造成裝配困難，也不利于形成良好的潤(rùn)滑條件。因此應(yīng)綜合分析選擇合理的最小配合間隙。

變幅機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)的潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑，銷軸和軸套上設(shè)計(jì)有油槽以便充分潤(rùn)滑整個(gè)配合圓周面。銷軸和軸套之間理想最小理論間隙必須達(dá)到一個(gè)安全值才能保證在襯套和銷軸之間能形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜。設(shè)計(jì)時(shí)可先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定形成油膜的最小理論間隙，以此為基礎(chǔ)，結(jié)合鉸點(diǎn)配合面的粗糙度、銷軸的撓曲變形量、銷軸的直線度、軸套孔的圓度以及軸套裝配后的收縮量等確定最小配合間隙。

以我公司生產(chǎn)的GJR400旋挖鉆機(jī)小變幅機(jī)構(gòu)為例，小變幅油缸鉸鏈處銷軸直徑100mm，長(zhǎng)度270mm。銷軸的表面粗糙度R_a和直線度△_l、軸套內(nèi)孔的表面粗糙度R_b和圓度△_d均可通過(guò)圖紙和設(shè)計(jì)手冊(cè)直接獲得;銷軸相對(duì)軸套的最大撓曲變形量y_12可通過(guò)簡(jiǎn)化的模型計(jì)算。軸套裝配后的孔收縮量△_s、間隙因溫升減小的數(shù)值△_t都可通過(guò)計(jì)算公式獲得。鑒于計(jì)算過(guò)程復(fù)雜這里不再演算，只給出經(jīng)驗(yàn)參考值。對(duì)于小變幅油缸鉸鏈處孔直徑100mm的最小配合間隙約為0.29mm。

四、結(jié)論

（1）鉸鏈處銷軸常用材料為45號(hào)鋼和40Cr合金鋼，對(duì)于變幅機(jī)構(gòu)中的大尺寸銷軸，宜采用40Cr合金鋼。

（2）為保證變幅機(jī)構(gòu)各鉸點(diǎn)的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)部分鉸點(diǎn)的表面粗糙度宜選擇Ra0.8μm，固定部分或小角度轉(zhuǎn)動(dòng)部分的鉸點(diǎn)的表面粗糙度宜選擇為Ra3.2μm;表面硬度宜調(diào)質(zhì)處理HB235～285，高頻感應(yīng)淬火硬度HRC52-60，淬透深度3～5mm。

（3）為保證變幅機(jī)構(gòu)的各鉸鏈處形成良好和穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜，對(duì)于直徑在100mm～120mm范圍的銷軸和軸套最小配合間隙宜在0.25—0.35mm 范圍之間。

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