GJR400大型旋挖钻机桅杆变幅机构铰点设计思路

郭军锐

摘要：在设计GJR400大型旋挖钻机的变幅机构铰点（包括销轴和轴套）时，除了选择合适的材料、表面参数以外，还要选择合理的配合间隙。本文通过如何选择销轴的材料、表面粗糙度和硬度等性能参数的选用、以及铰链处保证润滑良好所需最小配合间隙的确定等，对变幅机构铰点的设计思路提出了相关建议。

关键词：变幅机构;铰点;性能参数;强度设计;配合间隙

大型旋挖钻机的变幅机构主要包含大变幅和小变幅，其铰接点在桅杆变幅动作和钻机钻进工作时承受低速重载的作用，同时由于工况的复杂性，还经常需要承受巨大的冲击力。因此，在铰点设计时，不仅要正确选择销轴的材料、表面参数以及设计强度，而且要设计合适的配合间隙。为销轴与轴套的配合选择一个合适的配合间隙对降低整个工作装置的故障率，提升其使用寿命有重要意义。

一、铰点的简化模型

按照销轴与被铰接件接触面的数量划分，铰点常见有以下三种：

图1形式包括各油缸与油缸支撑结构的铰接点、大变幅油缸与十字轴总成的铰接点、小变幅油缸和小变幅主体结构的铰接点等;图2形式包括增宽支架与上车总成的铰接点、小变幅主体结构与上车总成的铰接点等;图3形式存在于大变幅中大变幅油缸所连的两个十字轴总成与桅杆总成的铰接点。

图2形式和图3形式的受力状况相对于图1要复杂一些，为简便计算，本文中所有的计算均基于图1形式。

二、销轴材料的选择

1.轴类零件常用材料和性能对比

目前轴类零件常用的材料有普通碳钢和合金钢。其中，普通碳钢常用的有20号钢、35号钢、45号钢;合金钢常用的有35CrMo、40Cr、40CrNiMo。目前在工程机械中以45号钢和40Cr使用最为广泛。

45号钢为优质碳素结构钢，抗拉强度为650MPa，屈服点为360Mpa，经调质后具有高强度和高韧性的特点，综合机械性能较好，但因其属于低淬透性钢，回火之后强度和硬度下降较大;40Cr 为合金结构钢，抗拉强度为1000MPa，屈服点为800Mpa，具有较强的强度、硬度和冲击韧性，适用于大轴类零件。在价格方面，45号钢比40Cr便宜;在力学性能方面，40Cr 要明显优于45 钢，适用于受力情况比较复杂以及直径较大的轴系;在加工工艺方面，在调质之后40Cr 的加工工艺性要比45 钢更好;在耐磨性方面，45钢的耐磨性要比40Cr 的耐磨性好。

2.确定销轴材料

从上面的分析得知调质之后的40Cr合金钢其强度、硬度、冲击韧性和加工性比45 钢好，但耐磨性不及45钢，且价格较贵。但考虑到旋挖钻机变幅机构执行变幅动作的总体时间较短，对其耐磨度要求不是很高，且在实际生产过程中，通过对调质后的40Cr销轴接触面进行高频淬火来提高耐磨性;另外，在钻机钻进工作时由于工况的复杂性和多变性，变幅机构受力状况也较为复杂，要承受较大的冲击力，且大型旋挖钻机变幅机构中销轴的直径较大、长度较长（直径达120mm、长度达1514mm）。综合考虑上述因素，所以选定销轴杆件的材料为40Cr合金钢。

三、性能参数和最小配合间隙的确定

销轴的使用性能除了材料外，还与销轴的表面粗糙度、硬度以及配合间隙有关。销轴铰接处失效和故障形式主要有磨损、异响和销轴抱死。其中，磨损主要受到表面粗糙度、表面硬度和配合间隙因素，尤其是硬度在很大程度上决定了销轴寿命;异响主要是因为配合间隙过小导致长时间的干摩擦造成的;销轴抱死是由于长时间的工作使销轴衬套发热，造成转动面出现粘连损坏，在接触面产生金属屑，长期的恶性循环使销轴和衬套的表面出现金属残屑切割的凹痕并最终抱死。由此可见，设计合理的表面粗糙度、硬度和配合公差对销轴的使用寿命具有重要意义。

1.表面粗糙度的确定

轴系零件的表面粗糙度（Ra）直接影响轴系的耐磨性、配合稳定性、疲劳强度以及抗腐蚀性能，且对其使用寿命和可靠性有重要影响。Ra的数值越小，轴系配合面的磨损程度会越小，但是加工费用会增加。有关研究表明，Ra数值越小，零件的耐磨性、配合稳定性、疲劳强度和耐腐蚀性能也越好，但是过度地降低Ra数值会大大增加加工难度并提高制造成本。通过以往的设计经验，参考中小型旋挖钻机以及其他工程机械的铰点设计思路，销轴和轴套的粗糙度一般在Ra0.8～Ra3.2μm之间。考虑到大型旋挖钻机变幅机构工况的复杂性，为保证使用可靠性和稳定性，对其转动部分铰点的表面粗糙度选择为Ra0.8μm，固定部分或小角度旋转部分的铰点的表面粗糙度选择为Ra3.2μm。

2.硬度确定

硬度是衡量材料耐磨性能的重要指标之一。在不考虑其他因素的条件下硬度越高的材料，其耐磨性能也越好，但是随着材料硬度的升高，加工难度增大、塑性和韧性随之下降。40Cr合金钢调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。40Cr除调质处理外还适于高频淬火处理。经过综合考虑，变幅机构各铰点的销轴选择调质处理HB235～285，高频感应淬火硬度HRC52-60，淬透深度3～5mm。

3.最小配合间隙的确定

设计合理的铰点配合间隙对变幅机构工作性能的影响很大。若间隙太大，则会降低铰点的稳定性，增大变幅机构工作过程中的自由摆动幅度，进而影响旋挖钻机的工作稳定性;若间隙太小，造成装配困难，也不利于形成良好的润滑条件。因此应综合分析选择合理的最小配合间隙。

变幅机构铰点的润滑方式为脂润滑，销轴和轴套上设计有油槽以便充分润滑整个配合圆周面。销轴和轴套之间理想最小理论间隙必须达到一个安全值才能保证在衬套和销轴之间能形成稳定的润滑油膜。设计时可先根据经验确定形成油膜的最小理论间隙，以此为基础，结合铰点配合面的粗糙度、销轴的挠曲变形量、销轴的直线度、轴套孔的圆度以及轴套装配后的收缩量等确定最小配合间隙。

以我公司生产的GJR400旋挖钻机小变幅机构为例，小變幅油缸铰链处销轴直径100mm，长度270mm。销轴的表面粗糙度R_a和直线度△_l、轴套内孔的表面粗糙度R_b和圆度△_d均可通过图纸和设计手册直接获得;销轴相对轴套的最大挠曲变形量y_12可通过简化的模型计算。轴套装配后的孔收缩量△_s、间隙因温升减小的数值△_t都可通过计算公式获得。鉴于计算过程复杂这里不再演算，只给出经验参考值。对于小变幅油缸铰链处孔直径100mm的最小配合间隙约为0.29mm。

四、结论

（1）铰链处销轴常用材料为45号钢和40Cr合金钢，对于变幅机构中的大尺寸销轴，宜采用40Cr合金钢。

（2）为保证变幅机构各铰点的可靠性和稳定性，对其转动部分铰点的表面粗糙度宜选择Ra0.8μm，固定部分或小角度转动部分的铰点的表面粗糙度宜选择为Ra3.2μm;表面硬度宜调质处理HB235～285，高频感应淬火硬度HRC52-60，淬透深度3～5mm。

（3）为保证变幅机构的各铰链处形成良好和稳定的润滑油膜，对于直径在100mm～120mm范围的销轴和轴套最小配合间隙宜在0.25—0.35mm 范围之间。

参考文献：

[1] 成大先.机械设计手册：第五版.北京：化学工业出版社，2008.

[2] 杨军，元海兵.浅析挖掘机工作装置轴和轴套的配合及设计问题[J]，工程机械，2008.

[3]孙中林，刘浩，甘新贵.浅析挖掘机工作装置轴套配合量设计[J].工程机械，2013.