GJR400大型旋挖鉆機桅桿變幅機構鉸點設計思路

郭軍銳

摘要：在設計GJR400大型旋挖鉆機的變幅機構鉸點（包括銷軸和軸套）時，除了選擇合適的材料、表面參數以外，還要選擇合理的配合間隙。本文通過如何選擇銷軸的材料、表面粗糙度和硬度等性能參數的選用、以及鉸鏈處保證潤滑良好所需最小配合間隙的確定等，對變幅機構鉸點的設計思路提出了相關建議。

關鍵詞：變幅機構;鉸點;性能參數;強度設計;配合間隙

大型旋挖鉆機的變幅機構主要包含大變幅和小變幅，其鉸接點在桅桿變幅動作和鉆機鉆進工作時承受低速重載的作用，同時由于工況的復雜性，還經常需要承受巨大的沖擊力。因此，在鉸點設計時，不僅要正確選擇銷軸的材料、表面參數以及設計強度，而且要設計合適的配合間隙。為銷軸與軸套的配合選擇一個合適的配合間隙對降低整個工作裝置的故障率，提升其使用壽命有重要意義。

一、鉸點的簡化模型

按照銷軸與被鉸接件接觸面的數量劃分，鉸點常見有以下三種：

圖1形式包括各油缸與油缸支撐結構的鉸接點、大變幅油缸與十字軸總成的鉸接點、小變幅油缸和小變幅主體結構的鉸接點等;圖2形式包括增寬支架與上車總成的鉸接點、小變幅主體結構與上車總成的鉸接點等;圖3形式存在于大變幅中大變幅油缸所連的兩個十字軸總成與桅桿總成的鉸接點。

圖2形式和圖3形式的受力狀況相對于圖1要復雜一些，為簡便計算，本文中所有的計算均基于圖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號鋼、35號鋼、45號鋼;合金鋼常用的有35CrMo、40Cr、40CrNiMo。目前在工程機械中以45號鋼和40Cr使用最為廣泛。

45號鋼為優質碳素結構鋼，抗拉強度為650MPa，屈服點為360Mpa，經調質后具有高強度和高韌性的特點，綜合機械性能較好，但因其屬于低淬透性鋼，回火之后強度和硬度下降較大;40Cr 為合金結構鋼，抗拉強度為1000MPa，屈服點為800Mpa，具有較強的強度、硬度和沖擊韌性，適用于大軸類零件。在價格方面，45號鋼比40Cr便宜;在力學性能方面，40Cr 要明顯優于45 鋼，適用于受力情況比較復雜以及直徑較大的軸系;在加工工藝方面，在調質之后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質之后的40Cr合金鋼其強度、硬度、沖擊韌性和加工性比45 鋼好，但耐磨性不及45鋼，且價格較貴。但考慮到旋挖鉆機變幅機構執行變幅動作的總體時間較短，對其耐磨度要求不是很高，且在實際生產過程中，通過對調質后的40Cr銷軸接觸面進行高頻淬火來提高耐磨性;另外，在鉆機鉆進工作時由于工況的復雜性和多變性，變幅機構受力狀況也較為復雜，要承受較大的沖擊力，且大型旋挖鉆機變幅機構中銷軸的直徑較大、長度較長（直徑達120mm、長度達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。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;異響主要是因為配合間隙過小導致長時間的干摩擦造成的;銷軸抱死是由于長時間的工作使銷軸襯套發熱，造成轉動面出現粘連損壞，在接觸面產生金屬屑，長期的惡性循環使銷軸和襯套的表面出現金屬殘屑切割的凹痕并最終抱死。由此可見，設計合理的表面粗糙度、硬度和配合公差對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、配合穩定性、疲勞強度以及抗腐蝕性能，且對其使用壽命和可靠性有重要影響。Ra的數值越小，軸系配合面的磨損程度會越小，但是加工費用會增加。有關研究表明，Ra數值越小，零件的耐磨性、配合穩定性、疲勞強度和耐腐蝕性能也越好，但是過度地降低Ra數值會大大增加加工難度并提高制造成本。通過以往的設計經驗，參考中小型旋挖鉆機以及其他工程機械的鉸點設計思路，銷軸和軸套的粗糙度一般在Ra0.8～Ra3.2μm之間。考慮到大型旋挖鉆機變幅機構工況的復雜性，為保證使用可靠性和穩定性，對其轉動部分鉸點的表面粗糙度選擇為Ra0.8μm，固定部分或小角度旋轉部分的鉸點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合金鋼調質處理后具有良好的綜合力學性能，良好的低溫沖擊韌性和低的缺口敏感性。40Cr除調質處理外還適于高頻淬火處理。經過綜合考慮，變幅機構各鉸點的銷軸選擇調質處理HB235～285，高頻感應淬火硬度HRC52-60，淬透深度3～5mm。

3.最小配合間隙的確定

設計合理的鉸點配合間隙對變幅機構工作性能的影響很大。若間隙太大，則會降低鉸點的穩定性，增大變幅機構工作過程中的自由擺動幅度，進而影響旋挖鉆機的工作穩定性;若間隙太小，造成裝配困難，也不利于形成良好的潤滑條件。因此應綜合分析選擇合理的最小配合間隙。

變幅機構鉸點的潤滑方式為脂潤滑，銷軸和軸套上設計有油槽以便充分潤滑整個配合圓周面。銷軸和軸套之間理想最小理論間隙必須達到一個安全值才能保證在襯套和銷軸之間能形成穩定的潤滑油膜。設計時可先根據經驗確定形成油膜的最小理論間隙，以此為基礎，結合鉸點配合面的粗糙度、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。

以我公司生產的GJR400旋挖鉆機小變幅機構為例，小變幅油缸鉸鏈處銷軸直徑100mm，長度270mm。銷軸的表面粗糙度R_a和直線度△_l、軸套內孔的表面粗糙度R_b和圓度△_d均可通過圖紙和設計手冊直接獲得;銷軸相對軸套的最大撓曲變形量y_12可通過簡化的模型計算。軸套裝配后的孔收縮量△_s、間隙因溫升減小的數值△_t都可通過計算公式獲得。鑒于計算過程復雜這里不再演算，只給出經驗參考值。對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、結論

（1）鉸鏈處銷軸常用材料為45號鋼和40Cr合金鋼，對于變幅機構中的大尺寸銷軸，宜采用40Cr合金鋼。

（2）為保證變幅機構各鉸點的可靠性和穩定性，對其轉動部分鉸點的表面粗糙度宜選擇Ra0.8μm，固定部分或小角度轉動部分的鉸點的表面粗糙度宜選擇為Ra3.2μm;表面硬度宜調質處理HB235～285，高頻感應淬火硬度HRC52-60，淬透深度3～5mm。

（3）為保證變幅機構的各鉸鏈處形成良好和穩定的潤滑油膜，對于直徑在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。

參考文獻：

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