隨車(chē)起重機(jī)軸端擋板的受力分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

李 偉，肖 超，邵 騰，叢日平

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

在隨車(chē)起重機(jī)中，常用軸類(lèi)零件對(duì)立柱、動(dòng)臂、伸縮臂等部件進(jìn)行鉸接，并通過(guò)擋板限制軸的軸向移動(dòng)和周向旋轉(zhuǎn)，以防因軸類(lèi)零件脫離部件發(fā)生事故和危險(xiǎn)。

軸端擋板常因螺栓預(yù)緊力不夠、安裝位置不合理等原因?qū)е侣菟U的剪斷、螺栓桿或連接孔表面被擠壓破壞，從而導(dǎo)致軸端擋板功能失效。為此，本文以隨車(chē)起重機(jī)臂架的銷(xiāo)軸軸端擋板結(jié)構(gòu)為例，結(jié)合臂架在起吊工況下低速轉(zhuǎn)動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)臂架變幅過(guò)程中的摩擦力及螺栓連接受力情況的分析和研究，并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。

1 軸端擋板工作原理和受力分析

常用的軸端擋板結(jié)構(gòu)形式有如圖1所示的幾種。其中，梨形擋板因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，在隨車(chē)起重機(jī)上最為常用[1]。

1—銷(xiāo)軸；2—擋板；3—螺栓和墊圈；4—軸套

梨形擋板上開(kāi)有一大一小兩個(gè)孔，其中大孔與銷(xiāo)軸配合并焊接為一體，小孔用于螺栓連接，通過(guò)螺栓的預(yù)緊力使梨形擋板緊壓在接合面上。梨形擋板受力分析示意圖如圖2所示。

圖2 梨形擋板受力 圖3 銷(xiāo)軸旋轉(zhuǎn)受力 分析示意圖 平衡示意圖

根據(jù)受力平衡條件得：

F′·l0·μs=kf·T.

(1)

其中：F′為螺栓預(yù)緊力；l0為旋轉(zhuǎn)半徑；μs為接合面摩擦因數(shù)，鋼鐵接合面干燥時(shí)取0.10～0.16,沾油時(shí)取0.06～0.10；kf為考慮摩擦傳力的可靠系數(shù)，取1.1～1.5；T為軸套對(duì)銷(xiāo)軸的旋轉(zhuǎn)力矩，即軸端擋板產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)的旋轉(zhuǎn)力矩。

如圖3所示，當(dāng)軸套相對(duì)銷(xiāo)軸作等角速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者在A點(diǎn)接觸，銷(xiāo)軸與軸套之間產(chǎn)生的摩擦力會(huì)阻止軸套相對(duì)于銷(xiāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)[2,3]。

銷(xiāo)軸對(duì)軸套的摩擦力Ff21為：

Ff21=FQ·fv.

(2)

其中：FQ為軸套承受的徑向載荷；fv為當(dāng)量摩擦因數(shù)。

摩擦力Ff21對(duì)軸套的摩擦力矩為：

Mf=Ff21·r.

(3)

其中：r為軸套內(nèi)孔的半徑。

同時(shí)，法向反力FN21與摩擦力Ff21合成約束力FR21。由于軸套在FQ、FR21及軸套承受的驅(qū)動(dòng)力矩Md的作用下處于平衡狀態(tài)，因此FQ與FR21必定大小相等、方向相反且不作用在一條直線(xiàn)上，以便組成一個(gè)與Md大小相等、方向相反的力偶Mf，即：

Md=-Mf.

(4)

FQ=FR21.

(5)

Mf=FR21·ρ.

(6)

其中：ρ為力偶Mf的力臂。

由式(2)～式(6)可得：

ρ=fv·r.

(7)

對(duì)于已經(jīng)確定的軸套，fv與r均為定值。根據(jù)作用力與反作用力關(guān)系，銷(xiāo)軸對(duì)軸套的摩擦力矩Mf與軸套對(duì)銷(xiāo)軸的摩擦力矩T大小相等、方向相反。因此，軸端擋板產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)的旋轉(zhuǎn)力矩T=-Mf。

隨車(chē)起重機(jī)的工作角度一般為0°～80°，其中頻繁工作角度為30°～70°。不同幅度下起重能力不同，法向反力FN21也不同，即摩擦力矩Mf為變化值。通過(guò)計(jì)算可知法向反力FN21在最大起重量或者最大起重力矩時(shí)最大。

約束力FR21的方向可根據(jù)臂架機(jī)構(gòu)的變幅運(yùn)動(dòng)來(lái)確定，如圖4所示。法向反力FN21在最大起重量時(shí)最大，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)副約束力的確定方法，反作用力F12和F32且都相切于摩擦圓，大小相等、方向相反。

1—變幅油缸；2—臂架；3—固定件

由上述分析可知，當(dāng)軸端擋板的位置與反作用力F32垂直距離最大時(shí)，螺栓的預(yù)緊力最小，即在相同預(yù)緊力的情況下，螺栓所能提供的摩擦力力矩最大，螺栓最安全,即:

F′=kfT/(l0μs).

(9)

通常情況下，隨車(chē)起重機(jī)的軸端擋板多為水平或者豎直布置。通過(guò)上述分析可知，此種布置方式并不合理。應(yīng)當(dāng)將軸端擋板布置在與轉(zhuǎn)動(dòng)副約束力方向形成最大垂直距離的位置處才是安全的設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 合理的軸端擋板位置

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

在大批量制造中，為減少焊接工作量、提高精度和安全性，對(duì)軸端梨形擋板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將原來(lái)梨形擋板銷(xiāo)軸端的360°圓孔(即大孔)改為180°半圓孔，以便降低銷(xiāo)軸孔加工難度，減少焊接工作量，改善裝配工藝性；在梨形擋板螺栓孔端，增加“V”型件，可以改善螺栓受力情況，改進(jìn)后的軸端擋板結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的軸端擋板結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的分析可知，應(yīng)結(jié)合相應(yīng)銷(xiāo)軸的實(shí)際受力情況，通過(guò)計(jì)算校核螺栓預(yù)緊力的大小，將軸端擋板布置在與銷(xiāo)軸所受的最大約束力方向垂直處，此為軸端擋板布置的最安全位置。