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钢筋切断机轴瓦的失效分析及精度合理设计

文章来源:钢筋调直机   作者:钢筋弯曲机    发布时间:2019-11-06 10:32   浏览次数:

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  钢筋切断机是使用非常广泛的一种建筑机械,与其他切断设备相比,具有重量轻、能耗少、工作可靠、效率高、便于移动和安装等特点。

  轴瓦是钢筋切断机的重要零件之一,在工作中极易损坏。钢筋切断机加工钢筋时大多以机械式剪断为主 (而且多为冷加工),在切断钢筋时由于瞬间工作阻力较大,使得切断机的机体产生很大的冲击反作用力,造成轴瓦早期损坏现象经常发生。引起轴瓦发生早期损坏的因素比较复杂,形式多种多样,主要有早期磨损、疲劳剥落、油膜破裂所产生的咬轴烧瓦、腐蚀等几种。

  1 轴瓦失效形式分析

  1.1 轴瓦承载原理及其条件

  根据流体动力润滑理论的一维雷诺方程,可知油膜压力的变化与润滑黏度、表面相对速度和油脂厚度有关。即

  

 

  式中:

  

 

  为任一截面处沿流动方向的压力梯度;η为油的运动黏度;U为表面相对速度;h为油膜厚度;h0为油膜压力最大处的油膜厚度。

  由此可知油面上各点压力P沿x方向分布,再将该压力分布积分便可求得油膜的承载能力。由式(1)可以推出形成流体动力润滑的必要条件:一是两摩擦面必须互相倾斜呈楔形;二是两摩擦面要有一定的相对滑动速度且速度方向应使润滑油从楔形大口注入,小口流出;三是润滑油应具有一定的黏度,供油要充分。

  1.2 轴瓦的早期磨损

  1)轴瓦早期磨损的主要特征。在轴瓦的主要承载区或全部宽度上,出现线状、带状的轴向划拉痕,或块状、片状磨痕,或油槽油孔处出现叶状磨痕等。

  2)损坏机理及产生原因。损坏机理为在轴瓦内圆表面的油膜间断处,轴颈表面与其他硬质异粒呈固相接触,形成滑动摩擦副。当摩擦副工作表面相对滑动时,在剪切作用下造成轴瓦表面材料脱落。造成轴瓦早期磨损的主要原因有:润滑油中混入硬质异粒,机器超负荷运行;装配不良或污物嵌入而引起轴瓦局部变形或轴变形;轴瓦内圆表面与轴颈外圆表面粗糙度之和大于油膜厚度等。从国内外的统计和试验证明,在造成轴瓦早期损坏因素的平均百分比中,杂质异粒约占31.2%~44.9%(见第107页表1)。

  1.3 轴瓦的疲劳剥落

  在轴瓦主要承载区域或局部应力过高部位,轴瓦工作表面开始呈细微裂纹,继之,裂纹向表面深度方向发展,当裂纹发展至一定深度后发生转向,偏转的裂纹相遇后,出现平行状、鳞状、网状断裂纹,使合金呈点状、块状、片状脱掉。由于轴的旋转及冲击运动,轴颈与轴瓦间的油膜产生一种平行于合金层的剪切力和垂直于合金层的压应力,循环不断地作用于合金层。这些力大于合金层材料本身的机械强度值时,表面产生裂纹。由于油膜压力渗透作用,促使裂纹向纵深处发展,直至接近钢背面,再沿钢背面平行方向蔓延,当与其他裂纹相汇合,在压力油浮力作用下,此处合金被托起,离开合金层产生剥落 (见图1)。

  表1 影响轴瓦损坏的主要因素的百分比(示例) (%)

  

 

  

 

  图1 轴瓦表面裂纹扩展的形象

  1.4 油膜破裂所产生的咬轴烧瓦

  机器运行过程中,有时出现轴颈的转速突然迅速下降,直至停止不动。停机后,在热状态下用手力通常不能转动,此时轴瓦工作表面呈严重的擦伤或大面积的撕裂并且伴随过热现象。这是由于过小的油膜间隙、重负荷、低黏度的润滑油及接触不良而造成的油膜破裂的边界润滑现象,将会导致轴瓦变形发生抱轴烧伤 (烧瓦)。

  1.5 轴瓦的腐蚀

  轴瓦减磨合金与钢背界面出现的凹痕及轴瓦表面的石纹状蠕变现象见图2。轴瓦内圆合金层中某些金属 (如铅、锌、锡等)受到氧化变质的酸质润滑油的化学作用而变质,在温度与润滑油的作用下,这些变质金属分子与原基体金属分子间的引力迅速减小,距离加大并离开原来的位置而脱掉。

  

 

  图2 轴瓦表面的石纹状及蠕变特征

  2 避免轴瓦失效的措施及精度合理设计

  2.1 装配精度和轴瓦几何形状的设计

  轴瓦的润滑对于装配间隙的大小是很敏感的。装配间隙过小则影响润滑油的流动或油膜的形成,不易于散热,容易抱轴烧瓦;过大,则导致轴瓦与轴颈间的接触弧度变小,增加了油膜的压力载荷并加剧轴瓦的疲劳,所以应合理选择轴瓦装配时的油膜间隙大小。由于制造精度等限制,往往决定了轴瓦与轴颈之间的油膜间隙不能小于某一个下限值(最小值),其上限值 (最大值)则可由制造时精度公差来决定,有关轴瓦的膜间隙下限值见表2。同样,装配表面几何形状的偏差,如鞍形、鼓形、不同心与轴瓦壁厚差等也会引起间隙的变化,将使曲轴和轴瓦之间产生直接接触、干摩擦的可能。所以在制造、装配中应严格控制尺寸与形位公差。同时还应考虑运转时其转速范围内的最小油膜厚度,应按其允许值以上的值进行设计。理论上说,计算得到的最小油膜厚度值应大于轴颈和轴瓦工作表面平面度的算术平均偏差值之和。国外有关协会院所推荐的最小油膜厚度 (hmin)值见表3。

  表2 油膜间隙下限值表 (mm)

  

 

  表3 国外有关推荐最小油膜厚度(hmin)值 (μm)

  

 

  2.2 轴瓦减磨合金材料的合理选取

  根据减磨合金材料的机械强度来决定使用中的负荷和温度界限值 (见第108页表4)。只有在充分了解轴瓦减磨合金材料性能的基础上,针对轴瓦的使用要求才能选择一种能满足发动机使用状况的轴瓦减磨合金材料。

  表4 轴瓦减磨合金材料最高工作温度 (℃)

  

 

  2.3 其他措施

  1)装配时应将零部件毛刺、屑末、型砂等清理、冲洗干净。

  2)提高滤清 (包括空气及机油滤清)效能,使其能将润滑油中大于15 μm的异粒全部滤出,10 μm以上的异粒95%滤出,5 μm以上的异粒90%滤出。

  3)轴瓦内圆和轴颈表面粗糙度分别为Rz≤3.2 μm,Rz≤1.0 μm,修磨轴颈时应使曲轴反向旋转,而抛光轴颈时与工作旋转方向一致[4]。

  4)合理选择润滑油。润滑油的选择要考虑到地区、气候条件、添加剂作用等因素。应以轴瓦的油膜间隙来配合选择润滑油黏度,在润滑设计上做出调整,方可得到最佳设计。

  5)机械结构设计及安装时,应注意避免因运转温度变化导致机械结构膨胀或收缩,而使轴瓦局部受力。轴瓦在工作状态时,施加在轴瓦盖螺栓上的扭紧力矩与加在轴瓦座孔上的力矩相同。

  3 结束语

  提高产品质量和钢筋切断机轴瓦的使用寿命,在工程实践中应按照上述改进措施和轴瓦精度合理要求进行设计、制造,能够较大程度地克服钢筋切断机轴瓦早期失效,提高经济效益。

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