提高壓路機(jī)振動(dòng)軸承壽命的設(shè)計(jì)改進(jìn)

1、試驗(yàn)研究提高壓路機(jī)振動(dòng)軸承壽命的設(shè)計(jì)改進(jìn)成都工程機(jī)械企業(yè)集團(tuán)公司壓路機(jī)廠(chǎng)王世良1前言YZ 14振動(dòng)壓路機(jī)是我廠(chǎng)繼主產(chǎn)品Z L 系列裝 載機(jī)和SK 系列挖掘機(jī)之后自行開(kāi)發(fā)的筑路機(jī)械新產(chǎn)品, 以拓展我廠(chǎng)產(chǎn)品領(lǐng)域, 形成由輪式裝載機(jī)、液壓挖掘機(jī)和振動(dòng)壓路機(jī)等主機(jī)為龍頭產(chǎn)品的我國(guó)西南大型工程機(jī)械基地。YZ 14振動(dòng)壓路機(jī)自1997年1月完成試制并投放市場(chǎng)試銷(xiāo)以來(lái), 為準(zhǔn)確有效地追蹤了解YZ 14壓路機(jī)的可靠性, 我廠(chǎng)特對(duì)最早出廠(chǎng)投放市場(chǎng)的前6臺(tái)YZ 14壓路機(jī)進(jìn)行全面跟蹤了解, 記錄收集分析考核可靠性方面的指標(biāo), 以達(dá)到真實(shí)反映該產(chǎn)品可靠性的目的, 為該產(chǎn)品技術(shù)鑒定及進(jìn)一步改進(jìn)完善提供依據(jù)。在進(jìn)行追蹤

2、的6臺(tái)YZ 14振動(dòng)壓路機(jī)中, 編號(hào)為03#壓路機(jī)在工作時(shí)間累計(jì)達(dá)300h 后, 振動(dòng)輪產(chǎn)生尖叫的異響聲; 編號(hào)為06#壓路機(jī)在用戶(hù)連續(xù)作業(yè)振動(dòng)時(shí)間超過(guò)8h 后, 便產(chǎn)生振動(dòng)軸承溫升過(guò)高的現(xiàn)象, 不能達(dá)到熱平衡狀態(tài), 同時(shí)伴有振動(dòng)頻率下降的現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)兩臺(tái)壓路機(jī)振動(dòng)輪解體分析研究, 發(fā)現(xiàn)振動(dòng)軸承內(nèi)圈靠偏心塊一端的半圈滾道上出現(xiàn)疲勞剝落, 產(chǎn)生麻點(diǎn), 振動(dòng)軸承已經(jīng)失效。為此, 我廠(chǎng)將提高振動(dòng)軸承壽命, 避免振動(dòng)軸承過(guò)早失效作為重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)課題加以研究解決。2振動(dòng)輪工作原理簡(jiǎn)介YZ 14振動(dòng)壓路機(jī)靠振動(dòng)馬達(dá)以1800r m in 的高速旋轉(zhuǎn)振動(dòng)軸, 使安裝在振動(dòng)軸上的偏心塊產(chǎn)生離心力, 巨大的離心力

3、使振動(dòng)輪產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)來(lái)壓實(shí)路基和路面, 振動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。振動(dòng)輪左右兩端的懸架通過(guò)橡膠減振塊與前車(chē)架左右連接, 振動(dòng)輪可以相對(duì)懸架自由轉(zhuǎn)動(dòng), 振動(dòng)輪幅板內(nèi)有兩個(gè)油腔室A , 裝有帶偏心塊的左右振動(dòng)軸支承在振動(dòng)軸承上, 左右振動(dòng)軸由中間軸相連接, 左右油腔中的兩個(gè)偏心塊處于相同相位上。右振動(dòng)軸的外端通過(guò)連接套與振動(dòng)液壓馬達(dá)連接, 靠馬達(dá)帶動(dòng)振動(dòng)軸作高速旋轉(zhuǎn), 實(shí)現(xiàn)振動(dòng)。振動(dòng)輪中的偏心塊旋轉(zhuǎn)時(shí)攪動(dòng)油腔中的潤(rùn)滑油, 形成飛濺潤(rùn)滑, 從而起到潤(rùn)滑和冷卻振動(dòng)軸承的作用。圖11. 邊接架2. 橡膠減振塊3. 振動(dòng)軸承4. 偏心塊5. 中間軸6. 振動(dòng)馬達(dá)與一般機(jī)械傳動(dòng)中所用軸承相比, 壓路機(jī)振動(dòng)

4、軸承的工作條件是十分惡劣的, 它需要承受由偏心塊所產(chǎn)生的離心力和振動(dòng)輪自重復(fù)合作用下所受到的沖擊, 而且這種載荷通常以30H z 左右交變頻率作用, 軸承被密封在振動(dòng)腔內(nèi), 靠飛濺潤(rùn)滑, 潤(rùn)滑和散熱狀況受到限制。因此, 振動(dòng)壓路機(jī)所用的振動(dòng)軸承必須具備較高的負(fù)荷容量和較高的極限轉(zhuǎn)速, 如果振動(dòng)軸承的裝配、潤(rùn)滑油性質(zhì)、清潔度、軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)等設(shè)計(jì)選擇不當(dāng), 往往導(dǎo)致軸承過(guò)早失效, 特別是軸承溫度急劇升高, 造成燒損或抱死, 保持架斷裂, 滾動(dòng)體和套圈破碎等現(xiàn)象, 嚴(yán)重影響整機(jī)的可靠性。3振動(dòng)軸承過(guò)早失效的原因分析經(jīng)研究分析, 造成振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)軸承過(guò)早失效的主要原因, 有以下幾個(gè)方面:3. 1振動(dòng)

5、軸承選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)不當(dāng)選擇軸承的依據(jù)是軸承自身的功能與它所擔(dān)負(fù)的工況相匹配, 振動(dòng)軸承需有較高的負(fù)荷容量和較建筑機(jī)械1998(10試驗(yàn)研究高的極限轉(zhuǎn)速。壓路機(jī)在轉(zhuǎn)向、凸凹不平的路段進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)時(shí), 軸承不僅要承受巨大的徑向力, 還要承受一定的軸向力。YZ 14振動(dòng)壓路機(jī)所用振動(dòng)軸承為普通型42000內(nèi)圈單擋邊圓柱滾子軸承。該類(lèi)型軸承額定動(dòng)負(fù)荷大, 但承載能力低, 特別是軸向承載能力低, 調(diào)心性能較差。滾動(dòng)軸承疲勞剝落、塑性變形和磨損這三種常見(jiàn)的破壞形式中, 前兩種失效形式分別與軸承的額定動(dòng)負(fù)荷和額定靜負(fù)荷有直接關(guān)系。普通型的42000軸承不僅徑向承載能力E r 低, 而且其軸向承載能力E a

6、也低, E a E r , 若軸向載荷增大, 將大大增加滾子端面與滾道側(cè)面之間的摩擦, 使軸承溫度升高。3. 2軸承潤(rùn)滑散熱狀況不好原結(jié)構(gòu)中振動(dòng)軸承形成一種不足的潤(rùn)滑, 從圖1中可以看出, 振動(dòng)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)靠偏心塊攪油, 潤(rùn)滑油沿偏心塊圓周切線(xiàn)飛濺至油腔幅板內(nèi)壁上, 然后沿法蘭支座端面滾入軸承體內(nèi)。這樣的潤(rùn)滑不充分, 不能將軸承工作產(chǎn)生的摩擦熱帶走, 造成軸承的工作溫度升高, 潤(rùn)滑油粘度下降, 油膜厚度減小, 直至出現(xiàn)邊界潤(rùn)滑或金屬接觸摩擦而產(chǎn)生軸承燒損。3. 3潤(rùn)滑油的抗熱氧化穩(wěn)定性差潤(rùn)滑油的抗熱氧化穩(wěn)定性對(duì)振動(dòng)軸承潤(rùn)滑有著顯著的影響, 原采用的潤(rùn)滑油經(jīng)試驗(yàn)得知, 當(dāng)軸承座溫升至80左右時(shí),

7、 其潤(rùn)滑油油膜建立困難, 造成滾柱與滾道出現(xiàn)邊界潤(rùn)滑甚至金屬接觸摩擦, 產(chǎn)生劇熱, 導(dǎo)致軸承座溫度急劇上升。3. 4油腔室清潔度差 原結(jié)構(gòu)中未充分考慮振動(dòng)輪油腔室A 的清潔處理, 油腔室中的焊渣、氧化皮未徹底清潔處理, 振動(dòng)輪工作時(shí)劇烈的振動(dòng)易使殘留的焊渣、氧化皮等振脫, 脫落的雜質(zhì)易造成振動(dòng)軸承滾柱與滾道之間摩損嚴(yán)重, 導(dǎo)致軸承過(guò)早失效。3. 5振動(dòng)輪兩端振動(dòng)軸承座上軸承孔的同軸度未達(dá)要求振動(dòng)輪內(nèi)的激振器采用偏心塊式, 工作時(shí)振動(dòng)軸帶動(dòng)偏心塊以1800r m in 高速旋轉(zhuǎn), 產(chǎn)生高達(dá)260kN 的離心力(即激振力 , 巨大的離心力通過(guò)四個(gè)振動(dòng)軸承來(lái)支承和傳遞。因此, 對(duì)振動(dòng)輪兩端軸承孔的同

8、軸度要求相當(dāng)高, 若此同軸度達(dá)不到要求, 將帶來(lái)這兩方面的影響, 一是造成振動(dòng)軸承游隙減少, 使?jié)櫥湍さ暮穸葴p少, 導(dǎo)致潤(rùn)滑不良而產(chǎn)生大量的摩擦熱; 二是使軸承內(nèi)圈與軸承滾柱之間的軸向力增加, 引起滾柱穩(wěn)定區(qū)域減小。根據(jù)圓柱滾子軸承的使用要求, 應(yīng)嚴(yán)格控制軸向力F a 和徑向力F r 的比值, 若同軸度超差或要求低, 則軸向力F a 增加, 使得F a F r 比值增大, 造成滾柱穩(wěn)定區(qū)域減少, 導(dǎo)致滾柱不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)而加劇軸承的摩擦。3. 6軸承內(nèi)圈與軸頸配合, 軸承外圈與軸承座孔配合選擇不當(dāng)對(duì)于承受徑向載荷的振動(dòng)軸承來(lái)說(shuō), 只有半圈滾動(dòng)體受力, 且在徑向力F r 方向上, 滾道及滾動(dòng)體受力

9、最大, 為5F r Z , 其中Z 為滾柱數(shù)量。對(duì)偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)的壓路機(jī)來(lái)說(shuō), 若軸與軸承采用常規(guī)的“內(nèi)緊外松”配合, 將產(chǎn)生只有半圈滾道受載, 另半邊滾道根本不受力的狀況, 最大受力部位始終不變, 如圖2所示。偏心塊常采用平鍵固定在振動(dòng)軸上, 因此, 對(duì)振動(dòng)軸來(lái)說(shuō), 激振力(即徑向力F r 永遠(yuǎn)指向軸上的某一固定方向。雖然激振力方向隨軸的旋轉(zhuǎn)而在不斷變化, 但它相對(duì)于軸承內(nèi)圈滾道卻是固定不變的, 內(nèi)圈滾道最大受力部位一直不變。合理的徑向游隙對(duì)振動(dòng)軸承的壽命影響很大, 如果軸承工作的徑向游隙增大, 則軸承中負(fù)荷區(qū)將減少, 最大滾動(dòng)體負(fù)荷將增加, 從而降低軸承壽命。如果減小游隙, 尤其在負(fù)游

10、隙下軸承發(fā)熱嚴(yán)重, 使用壽命下降更快, 根據(jù)工作徑向游隙與負(fù)荷分布參數(shù)以及軸承額定壽命之間的關(guān)系計(jì)算可知, 當(dāng)工作時(shí)徑向游隙接近零時(shí)壽命最長(zhǎng), 即原始游隙C o -配合游隙C p -工作游隙C g =0。圖2m 最大受載部位YZ 14壓路機(jī)振動(dòng)輪原結(jié)構(gòu)中, 軸承與軸頸和軸承座孔配合公差選擇不合理, 不能滿(mǎn)足振動(dòng)軸承工作時(shí)所需的徑向游隙。軸承工作時(shí), 其溫度升高, 向內(nèi)圈的散熱條件比外圈差, 因而內(nèi)圈溫度高于外圈, 使建筑機(jī)械1998(10試驗(yàn)研究?jī)?nèi)圈膨脹得多, 而外圈膨脹得少, 并且外圈膨脹受軸承座孔的限制, 引起徑向游隙減小, 摩擦加大, 發(fā)熱增加, 甚至引起軸承燒損。3. 7軸承軸向間隙太

11、小 在對(duì)YZ 14壓路機(jī)振動(dòng)輪解體后發(fā)現(xiàn), 振動(dòng)軸承內(nèi)圈端面與外圈上的保持架端面和滾柱端面有較深摩擦痕跡, 原結(jié)構(gòu)軸承內(nèi)圈與外圈軸向間隙設(shè)計(jì)值為011mm 012mm , 當(dāng)振動(dòng)輪工作時(shí)溫度升高接近80狀況下。過(guò)于偏小的軸向間隙就難以補(bǔ)償軸的熱膨脹伸長(zhǎng)量, 導(dǎo)致內(nèi)圈端面與外圈保持架側(cè)面發(fā)生摩擦, 振動(dòng)軸高達(dá)1800r m in 的轉(zhuǎn)速使摩擦處產(chǎn)生尖叫, 最終造成振動(dòng)軸承失效。4提高振動(dòng)軸承壽命的改進(jìn)措施根據(jù)前面所述的軸承過(guò)早失效原因分析, 我們對(duì)YZ 14振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪部件采取如下改進(jìn)措施:(1 振動(dòng)軸承由原來(lái)的GB 2834G 42000E 普通型圓柱滾子軸承改為具有特殊要求的42000E

12、Q TU 加強(qiáng)型圓柱滾子軸承, 軸承實(shí)體保持架材料由原來(lái)的鋼改為青銅, 零件特殊要求了回火溫度, 軸承游隙特選大于軸承現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)值, 加大到012mm 左右。使軸承的額定動(dòng)負(fù)荷比普通型軸承提高20%40%, 軸向承載能力提高113倍左右, 大大改善振動(dòng)軸承的承力狀況, 使軸承的極限轉(zhuǎn)速得到有效提高, 克服由于采用普通型軸承而產(chǎn)生過(guò)早失效的現(xiàn)象。(2 在軸承座上增設(shè)灌油油道, 其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示, 改進(jìn)的軸承座結(jié)構(gòu)大大改善了軸承的潤(rùn)滑狀況, 有效解決了軸承潤(rùn)滑不足和散熱不好的設(shè)計(jì)缺陷。(3 改用運(yùn)動(dòng)粘度為2832厘沲、抗氧化穩(wěn)定性好的HU 230號(hào)汽輪機(jī)油為潤(rùn)滑油, 較好地解決原來(lái)軸承座溫升到8

13、0左右時(shí), 潤(rùn)滑油膜建立困難的問(wèn)題, 保證滾動(dòng)體和滾道接觸面間能夠形成足夠薄的油膜。(4 提高振動(dòng)輪油腔的清潔度。油腔幅板焊接后進(jìn)行噴丸處理, 徹底清除氧化皮、焊渣等殘留物, 在噴丸后4h 內(nèi)即涂耐油漆, 并且在裝配過(guò)程中采用有效的防塵防銹措施, 使振動(dòng)軸承油腔清潔度得到控制。(5 提高振動(dòng)輪兩端振動(dòng)軸承座上軸承孔的同軸度, 對(duì)影響軸承同軸度相關(guān)零件和相關(guān)尺寸加以控制, 并增加必要的垂直度、平行度等形位公差。(6 改進(jìn)軸承內(nèi)圈與軸頸、軸承外圈與軸承座孔的配合公差, 將內(nèi)圈與軸頸配合改為M 7, 外圈與軸承座孔配合改為j 6, 使振動(dòng)軸承的徑向游隙趨于合理。圖3(7 增大軸承軸向間隙, 使振動(dòng)軸承內(nèi)圈與外圈之間的軸向間隙增加到1112mm , 有效解決原來(lái)因軸向間隙過(guò)小而導(dǎo)致的軸承內(nèi)圈與外圈相摩擦損壞的問(wèn)題。5結(jié)論采用上述設(shè)計(jì)改進(jìn)措施的YZ 14振動(dòng)壓路機(jī)樣機(jī)投入試用后效果較好, 振動(dòng)輪振動(dòng)軸承尖叫、溫升高、過(guò)早失效的故障得以解決, 從根本上克服了原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的缺陷和隱患。該機(jī)通過(guò)國(guó)家城建機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的測(cè)試試驗(yàn), 獲得該中心出具的合格達(dá)標(biāo)的檢驗(yàn)報(bào)告和工業(yè)考核報(bào)告, 并通過(guò)了省級(jí)鑒定, 為我廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品YZ 14振動(dòng)壓路機(jī)投入批量生產(chǎn), 投放市場(chǎng)提供了可靠的