2007年7月

第32卷第7期

润滑与密封LUBRlCATl0N ENGINEERING

Julv 2007

V01．32 No．7

装载机销轴磨损历程分析及其改进8

姜峰1 李方义1 李剑峰1 王玉玲h2 陈建1

(1．山东大学机械工程学院山东济南250061；2．山东建筑大学机电工程学院 山东济南250101)

摘要：销轴是装载机工作装置的重要连接部件，销轴的磨损失效往往造成严重的后果。通过大量试验，分析了装载

机销轴磨损的历程，表明销轴的磨损历程主要分为磨合阶段、磨粒磨损阶段和粘结磨损阶段。结合虚拟样机技术和有限

元技术，确定了销轴的最大磨损位置，对销轴油孔的结构进行了改进，提高了润滑效果，延长了销轴的使用寿命。

关键词：装载机；销轴；磨损历程；虚拟样机

中图分类号：U463文献标识码：A文章编号：0254—0150(2007)7—132—4

Abrasion Course Analysis on Pins of Loader Working

Equipment and Improvement

JIang Fen91 Li Fangyil Li Jianfen91 Wang Yu¨n91，2 Chen Jianl

(1．Sch00l of MechaJlical En矛neering，Shandong University，Jinan Shandong 250061，China；

2．College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan Shandong 250101，China)

A№ct：Pins are the important connected pans of 10ader working equipment．The abmsion fajlure of pins may result in

serious damage．Aimed at the abrasion of pins，some experiments were c痂ed out and the abrasion course was analyzed，the

abrasion course of pins is the breaking—in，t}le abrasion wear and adhesiVe abmsion．The ma】【imal abrasion position was

fbund by the aid of virtual pmtotyping and finite element technology，and the stmcture design of oil holes in the pins was

impmved to enhance the lubricant efkct and prolong the 1ife of pins．

Keywords：loader；pin；abrasion eourse；ViItual prototyping

在装载机的工作装置中，销轴占有举足轻重的地

位，它起到连接和传递载荷的作用。工作装置各零部

件的回转运动都需要以销轴作为回转中心，如果销轴

发生失效，将直接影响各铰接点的相对位置和工作装

置的运动，引起运动阻力增大，卸载高度、卸载距离

达不到额定值等一系列问题，严重时还会造成工作装

置的“自锁”。装载机的工作环境恶劣，工况复杂，

销轴容易出现过度磨损，甚至失效，影响工作装置的

安全和作业效率。本研究作者在大量试验研究的基础

上分析了装载机销轴磨损的一般规律，找出销轴的理

论最大磨损位置，并对销轴油孔结构设计进行了相应

的改进，达到减少摩擦磨损，‘提高销轴使用寿命的目

的。

1销轴磨合阶段分析

+基金项目：国家十一五科技支撑计划重大项目资助(2006B

A内2A01)；山东临工博士后项目(LGP200401)．

收稿日期：2007一Ol一29

作者简介：姜峰(198l一)，男，博士研究生，目前主要研究方

向为先进设计制造技术．E_mail：jf-holy@163．com．

1．1销轴磨合阶段特点

销轴磨合阶段的表面形态如图l所示。

图1磨合阶段销轴的表面形态

Fig 1 Surface eharacteristics in tlle nln—in stage 、

在磨合过程包含接触表面微凸体改变自身的形状

和材料本身冷作硬化2个过程，并由于这2个过程造

成弹性接触¨。。摩擦表面磨合时，总是会产生较大的

磨损，随之而来的是表面层物理机械性能改变以及表

面微观几何改变。在磨合过程中，表面的不平度严重

破坏．并形成新的与原有形状和尺寸不同的表面形

万方数据

2007年第7期 姜 峰等：装载机销轴磨损历程分析及其改进 133

貌。

1．2袁面粗糙度变化及其影响因素分析

4分别为过量润滑表面磨合后的形貌与正常润滑表面

磨合后的形貌。过量的压注润滑脂会阻止磨合过程的

进行，在长期使用后，润滑效果下降的情况下，吸附

膜更加容易破裂而造成较大磨损，甚至很快进入破坏

磨损阶段。

度发生影响Ⅲ。取在不同 图2竺合竺后竺要轴工作环境下，工作装置不。．。 。耄面粗糙度对皆同位置上处于磨合阶段的 b。fo陀。。d出。，th。

10个销轴，分别测量磨合 ⋯抽。№。

区域和非磨合区域的表面。

图4正常润滑表面磨合后的形貌

粗糙度，结果如图2所示，从图中明显可以看出，在 n84竺=i：：：翟：：i：!：：珊d相同加工条件下得到的销轴表面质量大致相同，磨合

在销轴设计阶段预测平衡粗糙度数值是十分重要区域的表面粗糙度均比非磨合区域的表面粗糙度有一 的，它有助于确定表面加工工艺种类和表面粗糙度级定的降低，但磨合区域和非磨合区域的表面粗糙度没 别，确定润滑的施加策略，保证磨合过程中的磨损最有必然的联系。 小，同时缩短磨合期，延长销轴的使用寿命。

按照疲劳磨损理论，各种不同形式(弹性接触、 2销轴磨粒磨损阶段分析塑性变形、显微切割)下，磨损率均与摩擦表面的 2．1磨粒磨损阶段的特点

压力成正比关系心。： 装载机的工作环境多灰尘泥土，而装载机销轴销

，=印“ (1) 套的结构形式简单，轴向和径向的间隙均比较大，沙

式中：1(m<3，对于磨合过的表面m一1；屉是用 石泥土等磨粒极易进入销轴销孔的接触区域，划伤零

以表征材料耐磨性及摩擦副工作条件(润滑、表面 件表面，形成如图5所示的磨粒磨损。

与污物隔离程度等等)的系数。

图3过量润滑表面磨合后的形貌

Fig 3 Surf如e characteristics with excessive lubIica—

tion intlle nln—in stage

从式(1)可以看出磨合对于降低销轴表面的磨

损，提高销轴的疲劳强度具有重要的意义。在销轴磨

合阶段必须施加适当的润滑，但同时发现过量的润滑

不利于销轴的磨合过程。取10个销轴样本，其中5

个处于过量润滑状态，5个处于正常润滑状态。过量

润滑状态下5个销轴表面的平衡粗糙度的平均值为

1．003岬，高于正常润滑状态的0．066 5肛m，图3、

图5销轴的蘑粒磨损(5×)

Fig 5 Grain abrasion of pin(5×)

较大的块状磨粒进入接触面缝隙后被进一步磨

碎，磨碎的磨粒在工件表面上引起振动冲击擦伤。此

种破坏作用主要取决于被磨碎的磨粒的强度硬度，也

取决于两配对表面处的应力状态，磨粒冲击产生的磨

损往往产生特殊的切屑，并在被破坏的金属表面上形

成长扁豆状凹坑，同时由于表面冲击，出现疲劳效

应。在液体或气体介质的化学作用下，破坏机制更趋

复杂，细微碎屑可能会陷入金属表面，而使整个磨损

4

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种是平程始糙各总的过起粗和后擦擦而衡副合摩摩，平擦磨种在化对摩面这它变不种表征，续并各，表度继度在下起糙再糙件立粗不粗条建衡中的

万方数据

134 润滑与密封 第32卷

过程发生改变Ⅲ。

2．2最大磨损位置的确定

＼1

／／

—卜i

图6销轴受力x方向

分量变化曲线

Fig 6 Change cuⅣe of X—

component force

即使是在磨粒作用的

l

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予一1．oo

妄一2．o：一3．0

R一4．O

上—＼l

、 ／；＼、 h＼-

＼

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、

、

、

⋯} } i

图7销轴受力y方向

分量变化曲线

Fig 7 Change curve of n

component force

一蔓

1／

{ 一—十一。—，

图9销轴曲拐与假设半面P的关系图

Fig 9 Relationship between pin crank

and supposed plane P

平面P与水平方向的角度随时间变化而变化，

利用所建立的虚拟样机模型即可得到转角的变化曲线

如图10所示。

根据销轴受载及其作用力叠加特点，最大瞬时载

荷位置即是最大磨损位置。由图8可知最大受载时刻

为江1．519 s，此时的合力为1．1×106 N，合力与x

向的夹角d为0．1 o。从图9可知，此时平面P与x

向的夹角口为23．6。，因此最大磨损位置与平面P的

夹角为p—a=23．5。，销轴样本的最大磨损位置与预

估结果基本吻合，如图11所示。

图10平面P与水平方向的角度变化曲线

Fig 10 AngIe change curve between pIane

P and horizontal direction

半面P

(b1

图11最大磨损位置对比图

Fig 1 1 Comparison of maximum wear position

3销轴破坏磨损阶段分析

销轴经过长时间使用后精度下降，间隙进一步增

大，润滑状况恶劣，磨损加剧，销轴迅速失效。销轴

在此阶段的磨损形式为粘结磨损，长时间的磨粒磨损

后，淬硬层开始脱落，润滑效果下降，长时间的重载

引起较大的切向力，最终使吸附膜破裂，磨损后的新

生表面直接接触发生粘着现象，由于销轴和轴套的材

料均为40cr，金相组织差别小，金属互溶性强，使

得粘着现象更加严重。此阶段的典型销轴表面如图

万方数据

2007年第7期 姜峰等：装载机销轴磨损历程分析及其改进 135

12所示。

图12销轴的粘结磨损(5×)

Fig 12 AdhesiVe wear of pin(5×)

粘结磨损的出现标志着销轴寿命的结束。一定工

况条件下，淬硬层的厚度对销轴的寿命影响较大。淬

硬层磨损殆尽使基体磨损加剧并导致销轴的迅速失

效。一般销轴采用表面高频淬火，淬硬层深度

1．5—2 mm，提高热处理质量，保证淬硬层的厚度和

均匀性可提高销轴的使用寿命。

4油孔设计的改进

4．1 油孔设计结构的改进

基于上述对销轴磨损历程的分析，对销轴油孔的

结构进行了改进设计。

油孔与受力方

向的相对位置对销

轴弯曲疲劳强度有

较大影响，销轴安

装应使油孑L避开最

大拉应力作用，消

除应力集中现象，

充分发挥销轴的材

料强度。何建伟

等H‘采用98 kN高频疲劳试验机对轴套施加一交变作

用力p，如图13所示。作用力通过轴套传到销轴，

通过试验得到了销轴在不同状态下的弯曲疲劳强度。

试验销轴材料为40Cr，整体调制HRc 24～28，

表面高频淬火HRc 45～52。试验得出结论：当销轴

油孔为通孔，油孑L两端开槽时，销轴的弯曲疲劳强度

为470 MPa。

结合虚拟样机和有限元分析技术，模拟了销轴最

大负载的工况，发现当油孔为开槽通孑L时，油孔处出

现应力集中现象，最大应力为18企3 MPa，如图14

所示。销轴的疲劳强度足够，安全系数达到2．61。

所以可以考虑将原有的销轴盲孔结构改为通孔结构，

这样既可以提高润滑效果，又提高了可加工性。

图14最大负载工况下开槽通孔销轴的应力分布

Fig 14 stress distribution of sloned pin with through

hole in the condition of maximum load

4．2油孔设计位置的改进

装载机工作装置所有销轴的油孔均开在曲拐对称

面上销轴的外侧，由销轴最大磨损位置的分析可知，

此处一般不是销轴的最大磨损位置，由于销轴的转动

范围较小，如果油孔远离最大磨损位置，润滑效果将

受到较大限制。结合虚拟样机对工作装置销轴组进行

分析，逐个确定其最大磨损位置，并将油孔设计在最

大磨损位置。

5结论

(1)销轴的磨损历程主要分为磨合阶段、磨粒

磨损阶段和粘结磨损阶段。

(2)在销轴轴套的磨合阶段要适量添加润滑脂，

压注量过多或过少均会对销轴平衡粗糙度的建立产生

影响，进而影响销轴的使用寿命。

(3)装载机工作装置各销轴的受力条件均不相

同，应找到每个销轴的最大磨损位置，再根据最大磨

损设计销轴油孔位置。

(4)装载机工作中，销轴所受到的最大应力值

均小于弯曲疲劳强度，安全系数达到2．6l。为了提

高润滑效果，可以考虑将原有的盲孔结构改为通孔结

构，这样做的另一个好处是可以提高油孔加工的工艺

性，降低加工难度。

参考文献

【l】刘家浚．材料磨损原理及其耐磨性[M]．北京：清华大

学出版社，1993．

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机械工业出版社，1988．

【4】何建伟，郭文华，李银风，等．销轴弯曲疲劳强度的试验

研究[J]．工程机械，2003，4：20—23．

He Jianwei，Guo Weihua，U Yi出ng，et a1．Test and Re—

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Machinery and Equipmem，2003，4：20一23．

万方数据

装载机销轴磨损历程分析及其改进作者： 姜峰， 李方义， 李剑峰， 王玉玲， 陈建， Jiang Feng， Li Fangyi， Li Jianfeng，

Wang Yuling， Chen Jian

作者单位： 姜峰,李方义,李剑峰,陈建,Jiang Feng,Li Fangyi,Li Jianfeng,Chen Jian(山东大学机械

工程学院,山东济南,250061)， 王玉玲,Wang Yuling(山东大学机械工程学院,山东济南

,250061;山东建筑大学机电工程学院,山东济南,250101)

刊名：润滑与密封

英文刊名： LUBRICATION ENGINEERING

年，卷(期)： 2007,32(7)

被引用次数： 3次

参考文献(5条)

1.He Jianwei;Guo Weihua;Li Yinfeng Test and Research on Bending Fatigue Strength of Pins[期刊论文]-

Construction Machinery and Equipment 2003(4)

2.何建伟;郭文华;李银风 销轴弯曲疲劳强度的试验研究[期刊论文]-工程机械 2003(04)

3.邵荷生;张清 金属的磨料磨损与耐磨材料 1988

4.克拉盖尔斯基;余梦生;吴永伟 摩擦、磨损与润滑手册 1986

5.刘家浚 材料磨损原理及其耐磨性 1993

引证文献(3条)

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2.张丽.王国安.蒙秋红 铰接销轴磨损失效分析及改进[期刊论文]-失效分析与预防 2010(1)

3.蒙秋红.邓颖章.张丽 装载机销轴断裂分析[期刊论文]-失效分析与预防 2009(3)

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