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[分享] 液压挖掘机工作装置用轴和轴承设计

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发表于 2009-4-26 05:59:27 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国吉林长春

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液压挖掘机工作装置用轴和轴承设计   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:
+ y$ k  y9 r* ]0 O. l4 k
4 A' C4 B9 {& p" D[ 本帖最后由 boy1234 于 2009-4-26 06:04 编辑 ]
 楼主| 发表于 2009-4-26 06:00:46 | 显示全部楼层 来自: 中国吉林长春
hmin=hs+y12+Ral+Ra2+△L+△LD+△ , ]4 X& m4 c$ ~" l; L7 l! h# U, V! [
& {+ E% g6 g1 @  A, j, X0 z, d
    hs:油膜厚度最小安全值(mm)
$ u/ X, `" R  y' }' Y* ^9 ?
" g7 v5 u5 {% V5 a: M' {    Y12:轴承两端面的相对挠曲变形量
# Z2 H  B9 }& }% i- e
  N+ ^* p" Z* K6 M    Ra1:轴的表面粗糙度
- B; t+ |, C2 c! Z
7 B8 D  v$ h1 B+ b    Ra2:轴承的表面粗糙度
, t! V1 ?9 ]( q: Z2 L( y+ d9 k7 Q% b' b! I* Y8 e
    △L:轴在轴承内一段的直线度
8 d0 s/ ~2 b, A! `; I0 p1 R( s
/ }* ?; @7 Y0 l4 s( G- D    △D:轴承内圈的圆度
/ g* V1 u2 ?8 R0 b$ P: r- j
3 ~2 `& ?/ x  }- B: |    △:装配后轴承内孔收缩量
  G0 E, e9 ~+ _% q
: g) f( l/ }* A: D    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:
7 E* o$ |+ S: o# a6 Y. q& a
6 ^! i+ ?$ g8 J  ~/ Q, u    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。 2 H/ X* W5 P8 |- p3 b
5 g  c! b# e3 N2 E3 J3 {3 e
    油缸的推力为:F=π×70×70×l0-6×31.4×106=4.8×105(N)
: P# x0 T2 U( G4 u% `' ~2 \: h! l% R  V% Y
    根据斗杆受力分析,Pl=P2=3.06×l05,则Rl=R2=3.06×105, - S4 F; S  d, u* ?! o

  b" A" F+ `: F6 w; j    轴的受力图可简化为 . c4 u% e: L# C1 H3 z7 [2 J
# j) l( l% E1 z. f7 T% n- _8 n  |
    轴的载荷呈对称分布,现当X在(0—207)时,弯矩方程为 " R. ~9 D* _* z: c) q0 `
+ K) r1 P7 E! j7 b
    M(x)=R1×X-××(X-37)×(X-37)则 0 ?5 `) v8 }1 A' i. h
2 K) s4 I/ M. h8 O2 Y" a
    Y(X)=+cx+D=
  r$ q% a; D" P" s8 C( Z" L8 Q& D5 l; t$ D: f
    -+x-x+Cx+D
% q1 K; Y! i5 \& X: P/ `& C  H& ]* F% l& L! N  i# B* S: X7 b% O. B
    由X=0,Y(x)=0得:D=0,X=0,θ(x)=0得:c=0 ( @$ f" P' L+ s
! A4 K; d! o2 n
    所以:Y(x)=×-+X-X 6 E/ j3 l# A5 g& s& ~9 ]

1 Y( Q0 O, B, y" S    式中E=270(GPa) 2 g9 _' f& M3 V- ?% s2 l9 x! a: K0 o

1 d3 z6 u+ o: K0 G    I=×D4=×(180)4=5.15×107(mm4)
- L4 t3 v. G" w8 ]" r
. X+ ?, ?$ Z3 L( u    y(37)==7.5×10-7(mm) , [0 ^, ~* B1 a7 r& w, B7 P% a
$ |1 r, }1 \* P$ {' X
    Y(157)==6.7×10-5(mm)
: B. J7 V' V: n6 R+ m# a$ _& [8 u2 V7 w7 R) l
    所以,Y12=Y(157)-Y(37) ! {% U% V* q: M9 N

( p# m9 h9 j4 s; E( {4 u    =6.625×10-5(mm) * i- _6 n' Z1 K6 x7 L# N3 z
9 A% o0 r/ v; L7 a: g* r: ?& I
    轴的表面粗糙度如Ra1=1.6(μm)
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