液压挖掘机工作装置用轴和轴承的设计

工作装置的可靠性对液压挖掘机整机性能影响很大，工作装置在工作时的工况为低速重载，这就对轴和轴承的工作性能提出了非常高的要求，而在挖掘机设计中，工作装置的重量在能满足设计性能参数的前提下应尽可能的小，所以合理设计轴和轴承对挖掘机整机性能至关重要。下面就分别讨论轴、轴承、轴和轴承公差配合的设计。
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：
ｈｍｉｎ＝ｈｓ＋ｙ１２＋Ｒａｌ＋Ｒａ２＋△Ｌ＋△ＬＤ＋△
ｈｓ：油膜厚度最小安全值（ｍｍ）
Ｙ１２：轴承两端面的相对挠曲变形量
Ｒａ１：轴的表面粗糙度
Ｒａ２：轴承的表面粗糙度
△Ｌ：轴在轴承内一段的直线度
△Ｄ：轴承内圈的圆度
△：装配后轴承内孔收缩量
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：
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。
油缸的推力为：Ｆ＝π×７０×７０×ｌ０－６×３１．４×１０６＝４．８×１０５（Ｎ）
根据斗杆受力分析，Ｐｌ＝Ｐ２＝３．０６×ｌ０５，则Ｒｌ＝Ｒ２＝３．０６×１０５，
轴的受力图可简化为
轴的载荷呈对称分布，现当Ｘ在（０―２０７）时，弯矩方程为
Ｍ（ｘ）＝Ｒ１×Ｘ－××（Ｘ－３