液压挖掘机工作装置用轴和轴承设计

时间：2010-12-20

工作装置的可靠性对液压挖掘机整机性能影响很大，工作装置在工作时的工况为低速重载，这就对轴和 轴承的工作性能提出了非常高的要求，而在挖掘机设计中，工作装置的重量在能满足设计性能参数的前提下应尽可能的小，所以合理设计轴和 轴承对挖掘机整机性能至关重要。下面就分别讨论轴、 轴承、轴和 轴承公差配合的设计。

一、 轴承的设计：

工作装置 轴承的种类繁多，按其材料可分为铜 轴承、钢 轴承、复合 轴承等；按其润滑方式可分为干摩擦 轴承、含油 轴承、不完全油膜 轴承、流体膜 轴承等：我厂现使用 轴承的润滑方式为不完全油膜润滑，先后使用过铜、钢、铜基钢背自润滑等多种 轴承。铜 轴承韧性良好，耐磨性一般，对轴有较好的保护作用，但抗变形能力较差，长时间使用后易变形，造成 轴承内径扩大，导致结构件晃动；钢 轴承强度高，耐磨性好，抗变形能力强，但表面热处理的工艺要求高；铜基钢背自润滑 轴承兼有钢 轴承和铜 轴承的优点，同时油槽润滑和自润滑相结合，能有效避免 轴承的烧焦，但其工艺复杂，成本较高。

轴承的设计首要考虑的是 轴承的使用寿命，其寿命除烧焦外由 轴承内径的磨损量来决定。磨损量主要受摩擦条件的影响，而摩擦又受承载、速度、杂质、表面粗糙度、工作温度、不同运行方式、所使用润滑剂等条件影响，因此，磨损量只能是一个理论估计值，轴套的寿命取决于各种复杂的条件。若因供油不良，杂质渗入而使磨损急剧变化，就很难预测磨损情况。在正常情况下，铜 轴承（ZcuAll0Fe3Mn2）磨损量可由下式近似得出：

W＝K×P×V×T
W：磨损量（mm）
K：摩擦系数【mm／（N／mm2·m／min·hr）】
P：承载能力（N／mm2）
V：线速度（m／min）
T：磨损时间（hr）
式中K＝Ci×k，k为理想状态下的摩擦系数，K＝（1~5）×10－8【mm／（N／mm2·m／min·hr）】

1、Ci＝C0×Cl×C2×C3

2、承载压力P

通常所谓承载压力是指 轴承承受载荷时， 轴承支撑的最大载荷除以受压面积，所谓受压面积，当 轴承为圆筒形时，取与 轴承接触部分的载荷方向的投影面积。

3、速度V

轴承的发热量，主要由 轴承的摩擦作用引起的，根据经验可得，对摩擦面温度的上升，滑动速度V的影响远大于承载压力P的影响。

由此可见， 轴承的寿命主要由P×V的值决定。同时PV值决定着 轴承的发热量。当 轴承运转时， 轴承温度受摩擦产生的热量及热量散发情况影响，通常会在一定温度上稳定下来，若运转持续进行中有杂质侵入，润滑油的性能就会降低，同时由于摩擦粉末的影响，材料的疲劳，此时摩擦面的形变即发生变化，摩擦系数提高， 轴承的温度上升，致使摩擦面损伤，导致烧焦，基于此种情况， 轴承运转温度越低，亦即使用低的PV值时， 轴承的负荷性较好，寿命延长，所以在设计时尽可能使用较低的PV值。

二、轴的设计：

（1）、一般情况下轴的材料选用35＃以上优质碳素结构钢，也可加入合金元素提高其热处理性能，材料经调质、淬火等表面处理后，硬度超过 轴承硬度即可收到比较理想的效果；当有硬物侵入时，就可把硬物嵌入 轴承中，而不损伤轴；否则就会降低轴的疲劳寿命。

（2）、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。因此，提高轴的表面粗糙度，尽可能缩小油膜间隙，使其接近流体润滑状态，这样就可提高轴套的使用寿命，一般情况下轴的表面粗糙度应在Ral．6以上。

（3）、对不承受交变载荷的轴进行电镀，不仅可以提高其耐蚀性，而且可以有效防止粗糙磨损，提高润滑性能。

三、轴和 轴承的公差配合：

在通常情况下， 轴承的外圈和结构件之间为中型压入配合， 轴承的内圈和轴为基孔制的间隙配合， 轴承的内圈开有油槽，加润滑脂润滑。轴和 轴承的配合间隙过大，则存在较大的冲击载荷，严重影响轴和结构件的使用寿命；轴和 轴承的配合间隙过小，则难以形成稳定的润滑膜，所以轴和 轴承之间的间隙在保证能形成稳定的润滑膜的基础上，应尽可能的小；其最小值可通过下面公式理论技术：
hmin＝hs＋y12＋Ral＋Ra2＋△L＋△LD＋△
hs：油膜厚度最小安全值（mm）
Y12： 轴承两端面的相对挠曲变形量
Ra1：轴的表面粗糙度
Ra2： 轴承的表面粗糙度
△L：轴在 轴承内一段的直线度
△D： 轴承内圈的圆度
△：装配后 轴承内孔收缩量
现就徐工220LC－6型挖掘机动臂和斗杆连接处的轴和 轴承做最小配合间隙的计算：
当直轴径为90的轴的油膜厚度最小安全值hs＝6（μm），对轴做挠度分析：其中液压系统的系统压力为：31．4×106Pa，油缸的缸径为140mm。
油缸的推力为：F＝π×70×70×l0－6×31．4×106＝4．8×105（N）
根据斗杆受力分析，Pl＝P2＝3．06×l05，则Rl＝R2＝3．06×105，
轴的受力图可简化为
轴的载荷呈对称分布，现当X在（0—207）时，弯矩方程为
M（x）＝R1×X－××（X－37）×（X－37）则
Y（X）＝＋cx＋D＝
 －＋x－x＋Cx＋D
由X＝0，Y（x）＝0得：D＝0，X＝0，θ（x）＝0得：c＝0
所以：Y（x）＝×－＋X－X
式中E＝270（GPa）
I＝×D4＝×（180）4＝5．15×107（mm4）
y（37）＝＝7．5×10－7（mm）
Y（157）＝＝6．7×10－5（mm）
所以，Y12＝Y（157）－Y（37）
＝6．625×10－5（mm）
轴的表面粗糙度如Ra1＝1．6（μm）