等寿命思想在销轴组设计中的应用方法

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Application of Equal Life Methodology on Design of Pin GroupYAN Lan JIANG Feng · RONG Yiming(1.College ofMechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 36101 1；2.Engineering Research Center for M achining of Brittle M aterials of Ministry of Education，Huaqiao University，Xiamen 36101 l；3.Department ofPrecision Instruments and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084)Abstract：Pins are critical conjunction parts in construction macnery.Wear failure of pins may influence the eficiency and quality，even results in serious damage of construction machinery.Due to the deficiency of design method，pin life in diferent positions ofwheel loader is always diferent，which greatly influence the maintenance and exchange of pins.A lot of pin samples have beenobserved to analyze the failure course of pins.It is found that abrasive wear is the main reason of pins failure.The theoretical modelof abrasive wear is derived to predict the wear volume.Under the boundary condition of equal wear of pins，a new designmethodology for equal life ofpins is proposed by the aid ofvirtual prototyping technology 。

Key words：Pin Wear Equal life design Virtual prototyping0 前言销轴是工程机械装备中的重要零件，起连接以及传递载荷的作用。机械装备工作过程中，各零部件以销轴为中心作回转运动。由于工程机械的工作环境恶劣，工况复杂，销轴容易出现过度磨损，甚至失效。当销轴发生失效时，各铰接点的相对位置会发生变化，从而影响工作装置的运动。以装载机国家自然科学基金青年基金(51105224)、国家重点基础研究发展计划(973计划，2011CB013404)和长江学者和创新团队发展计划(mTl3)资助项目。20130124收到初稿，20130528收到修改稿为例，销轴失效会导致运动阻力增大，出现卸载距离、卸载高度达不到额定值等问题，甚至会出现 自锁”现象 J，严重影响作业效率及安全。

从销轴设计角度来说，希望其使用寿命越长越好，但是随着大批量生产的实现和设计理念的进步，修不如换”、 与其使用复杂结构提高其寿命不如采用简单结构，定期进行更换”等思想不断出现在指导设计的过程中，逐渐形成了-种设计思想：等寿命设计 J。由于可以实现零部件的大批量生产，零部件的成本不断下降，同时维修过程机械化程度低，机械零件维修的劳动量显著高于制造新的零件2013年8月 言 兰等：等寿命思想在销轴组设计中的应用方法 135因子 1，如表 3所示。从表 3中可以看出，销轴 4(摇臂.动臂连接销轴)的位置权重因子最高，主要原因是与销轴 4相关联的销轴最多，因此其位置权重因子最高。在装载机销轴组的实际设计中，销轴 4(摇臂.动臂连接销轴)往往也是设计半径和设计长度最大的，如表 1所示。

表 3 销轴的权重因子 f根据销轴进入沙石泥土等磨料的可能性计算其磨损因子 。假设销轴组中每根销轴处于相同的润滑密封条件下，则这个因子主要与各销轴与铲斗位置的距离有关，可以认为距离铲斗的斗齿越近，磨粒磨损就越剧烈，每个销轴的磨损权重因子 如表 3所示。

将 T1、 算术平均，以权重因子最小的销轴作为基准，设定其安全因子值为 1，其他销轴安全因子作等比例放缩得到销轴总权重因子如表 3所示。

3.2 分级等寿命设计方法根据式(9)可得知，如果要求销轴组内销轴的磨损量大致相同，flF/t这个值应该接近-个常数。同时将权重因子考虑到设计过程中，则要求 rflFIt这个值接近-个常数。根据初始设计计算得到的zflF/t如表 4所示。

表 4 初始设计的 rflF/t值从表 4中可以看出，摇臂液压缸-前车架连接销轴(销轴 7)和动臂.前车架连接销轴(销轴 8)的 zflF/t值比较接近，均处于-个较低值，可以作为等寿命设计的高寿命组；铲斗.动臂连接销轴的 rflF/t值较高，可以作为等寿命设计的低寿命组；其余销轴的zflF/t值比较接近，可以作为等寿命设计的中寿命组。优化方法是维持低寿命组的原有设计，增加更换频率；而把高、中寿命组内的所有销轴的 rflF/t值平均，然后用这个平均值除以 值获得优化设计后的销轴轴套长度。优化后的销轴轴套长度和rflF/t值如表 5所示。

表 5 优化后设计的flF/t值表 5可以用于销轴更换原则的制定：中寿命组销轴的更换周期约为低寿命组的 2倍，而高寿命组销轴的更换周期约为低寿命组的 8倍，至于销轴的绝对寿命，则需要根据具体的使用环境决定。

4 结论(1)销轴失效过程分为磨合阶段、磨粒的磨损阶段以及黏结磨损阶段，而其中发生在销轴表面淬硬层的磨粒磨损是导致销轴失效的主要原因。

(2)相同工作环境下，销轴的磨粒磨损量大小主要撒于销轴轴套的长度、销轴所受载荷以及销轴轴套的相对运动行程，与销轴的直径大小没有直接关系。

(3)通过多体动力学分析可以发现，对于 ZL50系列装载机，摇臂液压缸.前车架连接销轴和动臂-前车架连接销轴的磨粒磨损率接近，且较低；销轴组内其他销轴的磨损率接近。

(4)将等寿命设计思想引入装载机销轴组的设计，通过销轴轴套长度的调整即可达到 销轴组内136 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 15期销轴磨粒磨损率基本-致”这-目标，实现销轴组内销轴的分级等寿命设计，提高销轴组的可维护性和工程机械的整机安全性。