关于衬套松动与销轴磨损的关系及原因分析

关于衬套松动与销轴磨损的关系及原因分析摘要：挖掘机工作装置铰点是挖掘机主要故障位置之一，本文从理论和实践深入分析衬套松动与销轴磨损的关系及原因，找出解决这一故障模式的方法。关键字：挖掘机；衬套；销轴；间隙；油膜；过盈1概述本文基于6吨挖掘机斗杆前端衬套松动及销轴磨损、连杆铲斗连接销轴磨损严重、动臂前端销轴止动板脱落、与动臂连接的平台销轴孔磨成椭圆形等问题，对衬套松动与销轴磨损的关系和原因进行分析、探讨。2机理分析2.1销轴分析销轴的磨损历程主要分为磨合阶段、磨粒磨损阶段和粘结磨损阶段。第一阶段：在销轴衬套的磨合阶段要适量添加润滑脂，压注量过多或过少均会对销轴平衡粗糙度的建立产生影响，进而影响销轴的使用寿命；第二阶段：挖掘机的工作环境多灰尘泥土，而挖掘机销轴衬套的结构形式简单，轴向和径向的间隙均比较大,沙石泥土等磨粒极易进入销轴销孔的接触区域，划伤零件表面,形成磨粒磨损；第三阶段：长时间的磨粒磨损后，淬硬层开始脱落，润滑效果下降，长时间的重载引起较大的切向力，最终使吸附膜破裂，磨损后的新生表面直接接触发生粘结现象，粘结磨损的出现标志着销轴寿命的结束。挖掘机工作装置上铰点较多，工作时销轴和衬套之间相对转动且传递载荷大，销轴和衬套间隙的合理选择直接影响挖掘机工作的可靠性。若配合间隙过小，形成不了稳定的润滑油膜，造成轴和衬套之间直接接触，引起发热和磨损，甚至干磨、抱死和断裂；若轴和衬套间隙过大，使轴和衬套间的接触应力增大，影响轴和衬套的使用寿命，像我们容易理解的齿轮副啮合齿面的接触应力失效。2.2衬套分析衬套外径的过盈量出现过大和过小的情况，若过盈量过大，则导致联接件的结合压力超过联接件的材料屈服强度，以致联接件发生塑性变形，失去联接作用；若过盈量过小，则导致联接件的结合力小于传递负荷，以致衬套直接松动并随销轴转动。另外，衬套过盈装配后必然会引起衬套内孔的收缩，其缩小量过大会导致销轴衬套间的间隙减少，进而影响销轴衬套间的稳定润滑油膜的形成。2.3相互关系分析当轴和衬套之间润滑条件良好能够形成油膜时，轴和衬套之间的摩擦因数为0.02～0.04；若由于间隙不够或润滑条件差等原因不能形成油膜时，轴和衬套之间的干摩擦因数可高达0.2。由于工作时轴和衬套的接触应力较高，在摩擦时产生的热量会导致轴和套的温度升高，使润滑脂氧化，覆盖在衬套和轴表面的边界膜则分解，两表面的金属直接接触产生剧烈的摩擦、磨损。这个过程使衬套内部温度迅速升高，当温度高于1400C时，润滑脂迅速氧化，形成发热-剧烈摩擦-发热的恶性循环，直至轴和衬套完全抱死。当轴和衬套之间的结合力大于衬套和焊接套之间的结合力时，衬套随轴一起在焊接套中转动，造成焊接套磨损。在轴和衬套因发热抱死后，若衬套和焊接套之间的结合力矩大于销轴端止动板提供的力矩时，则止动板被剪断，对于动臂平台联接的铰点位置，那么销轴和动臂成为一体，销轴在平台的支座内转动，导致平台支座销轴孔磨损。引起故障各因素相互关系如下图所示。3计算步骤及方法3.1衬套外径过盈量计算衬套外径过盈量计算考虑两个条件，一个条件是过盈联接要能传递负荷，用来计算衬套外径的最小过盈量，另一个条件是过盈联接件不能产生塑性变形，即衬套和焊接套都不能发生塑性变形，用来计算衬套外径的最大过盈量。根据最大和最小过盈量来选取衬套外径的过盈配合公差，进而计算出衬套内径的缩小量，具体计算过程和方法请参照国标GB/T5371-2004和《衬套外径过盈量和销轴间隙的计算》，衬套内径的缩小量也可直接通过结构件有限元分析得出。3.2销轴衬套配合间隙计算第一步：初选销轴衬套的配合公差，并确定销轴衬套的机加工要求，然后可以求出铰点形成稳定油膜的最小间隙△min，理论估算公式为：△min=hs+y12+Ra+Rb+△l+△d+△t，式中，hs为油膜厚度最小安全值；y12为轴在衬套长度内的相对挠曲变形量；Ra为轴的表面粗糙度；Rb为衬套的表面粗糙度；△l为轴在衬套内的直线度；△d为衬套内圈的圆度；△t为销轴衬套间隙因温度升高而减小的数值。其中，油膜厚度最小安全值hs为：当70≤d（销径）90，hs=6×10-3mm；当90≤d120，hs=8×10-3mm轴的相对挠曲变形量y12需要对销轴做挠度分析，可根据计算公式得出，也可结构件有限元分析直接得出；△t的计算公式为：△t=d×α×T，式中d为轴的直径，T为温升，α为钢线膨胀系数，通常取α=11×1O-6oC。第二步：校核初选配合公差是否合格，校核条件有两个，一个条件是衬套过盈装配后实际形成的最小间隙△ymin，要求△ymin△min，另一个条件是衬套过盈装配后实际形成的最大间隙△ymax，不能使轴和衬套间的接触应力超过材料的许用接触应力，接触应力根据赫兹应力计算公式得出。3.3销轴与支座孔接触应力校核计算销轴和支座孔的配合公差确定后，需要对它们之间的接触应力进行校核，其不能超过材料的许用接触应力。本环节主要针对与动臂连接的平台销轴孔磨成椭圆形的故障问题，同样适合动臂前端销轴孔的接触应力校核，具体计算过程和方法请参照《衬套外径过盈量和销轴间隙的计算》。4其他因素分析除了上述和《衬套外径过盈量和销轴间隙的计算》模板里涉及到因素之外，销轴磨损还有其他一些因素，如销轴衬套的配合硬度及晶体组织分布，防尘圈的结构、性能及装配工艺，衬套内圈油槽的结构，润滑油的类型，黄油出油孔位置的布置等。5结语以上是本人查阅相关国标和技术文章后总结出来的一些认知和总结，后续针对我司挖掘机工作装置具体的铰点位置和故障模式，根据相关理论进行更加深入地分析、判断，并采取治根的整改措施。参考文献[1]许小强，赵洪伦．过盈配合应力的接触非线性有限元分析[J].2000.[2]刘静，潘双夏，冯培恩．基于ADAMS的挖掘机液压系统仿真技术[J].2005.