推土機(jī)萬向節(jié)優(yōu)化設(shè)計

劉修超，武占剛

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)寧 272073）

0 引言

萬向節(jié)也稱為傳動軸，一般按照萬向節(jié)在扭轉(zhuǎn)方向上是否有明顯的彈性，將萬向節(jié)分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)又可分為不等速萬向節(jié)、準(zhǔn)等速萬向節(jié)和等速萬向節(jié)，目前推土機(jī)使用的大多數(shù)為準(zhǔn)等速萬向節(jié)。比較常見的等速萬向節(jié)為雙聯(lián)式萬向節(jié)，允許相鄰兩軸的最大交角為15～20°，推土機(jī)萬向節(jié)的雙聯(lián)叉相當(dāng)于傳動軸及兩端處在同一平面上的萬向節(jié)叉，當(dāng)輸出軸與輸入軸的交角較小時，能使兩軸角速度接近相等。但由于發(fā)動機(jī)的啟動或者轉(zhuǎn)速突然加大時，萬向節(jié)會受到瞬間的大扭矩。對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得出萬向節(jié)的應(yīng)力及變形分布狀況，以此為依據(jù)改進(jìn)萬向節(jié)的焊縫結(jié)構(gòu)。

1 萬向節(jié)焊縫開裂故障

萬向節(jié)兩端為鍛造的連接叉，中間用一根鋼管套住兩端連接叉，連接叉與鋼管連接處為焊縫，萬向節(jié)結(jié)構(gòu)及開裂位置如圖1所示。

圖1 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)及開裂位置示意

根據(jù)某品牌的一臺推土機(jī)在早期磨合階段出現(xiàn)的故障情況進(jìn)行分析，該推土機(jī)萬向節(jié)斷裂時，整機(jī)作業(yè)時間共228 h，萬向節(jié)實物斷裂部位如圖2所示。從照片可清楚地看出裂紋的位置為一側(cè)焊縫處，產(chǎn)生裂紋前未發(fā)生塑性變形，說明萬向節(jié)的宏觀缺陷是裂紋源。從裂紋靠近焊縫初步推斷，裂紋源應(yīng)為焊接缺陷。

圖2 萬向節(jié)開裂實物

2 萬向節(jié)受力分析

2.1 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)

萬向節(jié)是傳遞動力與輸出扭矩的重要部件，結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中連接叉為鍛造件，鋼管材料為45#鋼，截面形狀為圓形，為提高其承載能力，鋼管壁厚4 mm，外徑89 mm，鋼管兩端分別套在連接叉上，連接處為焊接加工。

圖3 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)

2.2 萬向節(jié)應(yīng)力分析

根據(jù)萬向節(jié)三維模型，設(shè)立有限元三維分析模型。按照萬向節(jié)載荷分析情況和靜力平衡條件建立結(jié)構(gòu)的有限元分析方程式。受力分析結(jié)果如圖4所示。應(yīng)力分布圖顯示萬向節(jié)最大應(yīng)力不在開裂部位，說明此萬向節(jié)不是設(shè)計強度不足，而是可能存在制造缺陷，尤其是焊縫部位可能存在焊接缺陷。

圖4 萬向節(jié)應(yīng)力分布

3 廠家調(diào)研

經(jīng)生產(chǎn)廠家現(xiàn)場檢查，萬向節(jié)鋼管的規(guī)格是89 mm（外徑）×4 mm（壁厚）的20#鋼，管壁薄，兩焊縫距離19 mm，在工藝上實現(xiàn)這種焊接難度很大（圖5）。焊縫處溫度1000℃，當(dāng)一焊縫焊接完畢后無法焊接第二個焊縫，并且焊縫周圍都是熱影響區(qū)，結(jié)構(gòu)強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，原材料采用國內(nèi)大鋼焊縫易形成虛焊，即未焊透。對1件在制品進(jìn)行探傷，探傷報告表明萬向節(jié)焊縫存在虛焊缺陷。

圖5 廠家焊接成型的萬向節(jié)

4 萬向節(jié)開裂原因判定

通過有限元受力分析及現(xiàn)場調(diào)研，可以判定萬向節(jié)開裂原因：①生產(chǎn)廠家采取的焊接工藝方法不合理，形成未焊透結(jié)果；②鋼管規(guī)格及材質(zhì)問題。

5 分析及改善

進(jìn)一步分析開裂焊縫結(jié)構(gòu)，對廠家采取的兩道焊接工序及所用鋼管規(guī)格分析后進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在原來基礎(chǔ)上取消鋼管，加長兩端的連接叉保證萬向節(jié)使用的安裝尺寸后，將兩連接叉焊接在一起，由原來的兩道焊縫優(yōu)化成一道焊縫，在連接叉拼接焊結(jié)合面處打坡口。圖6為改進(jìn)后加工成型的萬向節(jié)，圖7為改進(jìn)后的焊縫坡口。

圖6 改善后的萬向節(jié)

圖7 焊接坡口形式

改進(jìn)后的焊縫坡口焊接時可以很方便的送到焊縫根部，根部在電弧的作用下熔化，不再產(chǎn)生虛焊現(xiàn)象，減少焊接缺陷的產(chǎn)生。對改進(jìn)后的焊縫進(jìn)行探傷（圖8），探傷數(shù)據(jù)結(jié)果（表1）顯示焊縫探傷合格。

圖8 焊縫探傷區(qū)域

表1 探傷報告

6 結(jié)語

通過對萬向節(jié)的受力和焊縫的討論分析及現(xiàn)場調(diào)研，找出萬向節(jié)開裂的原因，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，取得了預(yù)期的效果。