無縫套筒對聯(lián)合收割機鏈條耐磨性能的影響

尚文帥 ，許全全 ，劉天才 ，尚召華 ，劉俊宏

（青島征和工業(yè)股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

農(nóng)機用帶附板滾子鏈條（以下簡稱農(nóng)機鏈），廣泛應用于農(nóng)業(yè)行走機械上，其特點是鏈條上帶有附件，通過在鏈條上安裝二級附件，實現(xiàn)對谷物的輸送功能，因此被聯(lián)合收割機等農(nóng)業(yè)行走機械所普遍采用。帶有K 型附件的ZGS38 農(nóng)機鏈條結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由內(nèi)鏈板1、外鏈板2、附件3、套筒4、銷軸5、滾子6 等零件組成。內(nèi)鏈板、套筒和滾子組裝成內(nèi)鏈節(jié)，銷軸和外鏈板組成外鏈節(jié)，附件、套筒和滾子組裝成附板鏈節(jié)，三者按一定順序組裝在一起，形成農(nóng)機鏈條，其中套筒和銷軸為鉸鏈接觸部件。

圖1 鏈條結(jié)構(gòu)

農(nóng)機鏈條的工作環(huán)境十分惡劣，絕大多數(shù)是開式傳動，不經(jīng)常潤滑或缺少潤滑[1]。開式傳動、環(huán)境惡劣或潤滑密封不良時，極易引起鉸鏈磨損，造成磨損失效，從而縮短鏈條使用壽命[2]，鉸鏈磨損后的內(nèi)鏈節(jié)和外鏈節(jié)如圖2 所示。有時農(nóng)業(yè)收獲機終端用戶因為鏈條磨損失效，而被迫中斷作業(yè)等待維修，但由于收獲作業(yè)所在地往往比較偏遠，且道路以土路為主，交通不便，給機手造成了時間浪費，帶來了很大的經(jīng)濟損失。因此，提高農(nóng)機鏈的耐磨性能，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

圖2 磨損后的鏈節(jié)

農(nóng)用行走機械傳動滾子鏈，其常見的失效形式是磨損[3]。對于農(nóng)機鏈來說，影響其磨損性能的關(guān)鍵零件是滲碳套筒和銷軸[4]。套筒結(jié)構(gòu)分為有縫套筒和無縫套筒兩種，如圖3 所示。目前國內(nèi)絕大多數(shù)國產(chǎn)聯(lián)合收割機中的農(nóng)機鏈采用有縫套筒，但隨著收割機喂入量逐年增大，使得工況愈加惡劣，其耐磨性能難以滿足工況需求。本文通過對有縫套筒磨損機制分析、無縫冷擠套筒與有縫套筒性能對比、臺架試驗驗證三方面進行研究，分析無縫冷擠套筒（以下簡稱無縫套筒）對于農(nóng)機鏈耐磨性能的影響。

圖3 套筒結(jié)構(gòu)

1 有縫套筒磨損機制分析

1.1 磨損形貌

為了解磨損狀況，找到一臺國產(chǎn)小麥聯(lián)合收割機，其使用的農(nóng)機鏈為有縫套筒，已經(jīng)作業(yè)350 h 左右（約一個收獲季），因磨損失效無法繼續(xù)使用，對其套筒、銷軸零件進行拆解分析。

經(jīng)過對整鏈的銷軸與套筒進行拆解，發(fā)現(xiàn)如下：1）銷軸外表面與套筒內(nèi)表面均出現(xiàn)環(huán)形磨損痕跡，環(huán)形磨損面積大則磨損程度較為嚴重，反之則磨損程度較輕；2）從同一條鏈條上拆下的零件，不同銷軸、套筒之間環(huán)形磨損面積大小不一。

針對磨損面積大小不一的現(xiàn)象，又進一步觀察發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：1）凡是磨損較為嚴重的套筒，套筒接縫均位于環(huán)形磨損面內(nèi)，如圖4（c）所示，中間縫隙為接縫，與其配合使用的銷軸也磨損較為嚴重，如圖4（a）所示。2）凡是磨損較輕的套筒，接縫均不在環(huán)形磨損面內(nèi)，如圖4（d）所示，與其配合使用的銷軸磨損較輕，如圖4（b）所示。

圖4 磨損后的銷軸的套筒

1.2 磨損機制分析

對于同一鏈條不同零件磨損程度差異較大的現(xiàn)象，分析其原因在于：有縫套筒經(jīng)卷制而成，存在接縫，其與內(nèi)鏈板裝配后，接縫位置隨機排布，當鏈條轉(zhuǎn)動時，如圖5 所示，接縫一旦位于鉸鏈摩擦副可轉(zhuǎn)動角度α范圍內(nèi)，如圖6 所示，銷軸便會與套筒接縫發(fā)生接觸，接縫進入銷軸與套筒接觸的一瞬間，便會產(chǎn)生振動和沖擊，同時出現(xiàn)鉸接觸面積減少的現(xiàn)象。隨著鏈條轉(zhuǎn)動，鉸接處便會產(chǎn)生小能量、低周期的循環(huán)沖擊，加劇軸套之間的磨損，所以套筒接縫處磨損程度比較嚴重。

圖5 鏈傳動簡化圖

圖6 A處放大視圖

鏈條與鏈輪嚙合實現(xiàn)傳動功能。鏈節(jié)在進入和退出嚙合時，相鄰鏈節(jié)發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，即在鉸鏈處的銷軸和套筒間有相對轉(zhuǎn)動，引起磨損[5]。軸套磨損引起鏈節(jié)節(jié)距變長，使?jié)L子與鏈輪齒廓嚙合接觸面后移。因滾子與齒廓之間主要為滾動摩擦[6]，這會使鏈條與鏈輪的嚙合狀態(tài)惡化，加劇傳動過程中的振動與沖擊，加劇鏈條整體磨損。

2 有縫套筒與無縫套筒差異對比

無縫套筒采用的是冷擠壓成型的方式[7]，不存在接縫。根據(jù)有縫套筒磨損機制可以推斷，無縫套筒更有利于提高鏈條耐磨性能。

為了更充分驗證接縫對于鏈條磨損的影響，排除其他因素干擾，分別對兩種套筒進行檢測。本次被測樣本材質(zhì)相同，均取自同一批次、設備和工藝加工的零件，對其內(nèi)孔表面粗糙度、熱處理后硬度、金相組織、滲碳層厚度等影響磨損的因素進行檢測對比。

2.1 內(nèi)孔表面粗糙度

零件表面粗糙會加劇鏈條磨損[8]。對兩種套筒隨機抽樣各10 個，使用SJ-410 型粗糙度儀測量內(nèi)孔表面粗糙度Ra（輪廓算術(shù)平均偏差），無縫套筒內(nèi)孔表面粗糙度平均值比有縫套筒小0.038 μm，雖然無縫套筒略優(yōu)，但差異不明顯，如表1所示。

表1 粗糙度測量結(jié)果 單位：μm

2.2 熱處理后硬度

材料表面的硬度是影響耐磨性能的主要因素[9]，套筒采用滲碳熱處理加工方式。各隨機取樣10 件，使用維氏硬度計，以HV0.2 kg的試驗力，對套筒表面和心部硬度進行測量，測得兩種套筒硬度平均值基本接近，差異不大，如表2所示。

表2 維氏硬度測量結(jié)果

2.3 金相組織

使用金相顯微鏡放大500 倍后，套筒金相組織如圖7 所示。兩種套筒表層均為細針狀回火馬氏體+殘余奧氏體（1 級）；心部均為較均勻的回火馬氏體，二者金相組織基本一致，如圖7所示。

圖7 套筒金相組織

2.4 滲碳層厚度

使用金相顯微鏡，對兩種套筒的滲碳層厚度進行檢測，結(jié)果顯示基本相同，如表3所示。

表3 滲碳層厚度 單位：mm

3 磨損試驗驗證

鏈條磨損性能的測試研究在國內(nèi)已有一定的工作基礎[10]。磨損歷來是鏈條產(chǎn)品最敏感而又最易察覺到的技術(shù)指標之一[11]。鏈條磨損性能評價參數(shù)一般采用對鏈傳動工作可靠性產(chǎn)生直接影響的磨損伸長率表示[1]。磨損伸長率越小，則表示鏈條耐磨性能越好，反之則表示鏈條耐磨性能越差。鏈條磨損伸長率ε計算公式如式（1）所示。

其中，L0為初始鏈長，L1為磨損后測得的鏈長[1]。

3.1 試驗樣鏈

選用型號為ZGS38 的農(nóng)機滾子鏈，此種鏈條在國產(chǎn)小麥和玉米聯(lián)合收割機上應用極為廣泛，具有代表性。試驗用鏈條為2 條（各62 節(jié)），分別安裝有縫套筒和無縫套筒，套筒零件均為隨機裝配，兩種套筒材質(zhì)相同，且采用同一熱處理工藝進行熱處理。鏈條其余組成零件相同，均為同一批次生產(chǎn)零件。鏈條只在試驗前進行一次預潤滑，試驗過程中不再進行潤滑。鏈條主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

表4 ZGS38農(nóng)機滾子鏈主要參數(shù) 單位：mm

3.2 試驗工況參數(shù)

本次試驗在封閉力流式試驗臺上進行，鏈條張緊邊工作張力F=2.25 kN，主動和從動鏈輪齒數(shù)均為16，主動鏈輪轉(zhuǎn)速為600 r/min，試驗時間為240 h，試驗過程中不進行潤滑。

3.3 試驗結(jié)果

利用LCC-2.5M 數(shù)顯鏈長測量儀，在測量載荷為450 N 時，每間隔24 h 測量一次整鏈長度（不含連接鏈節(jié)），經(jīng)過240 h 磨損對比試驗后，兩種鏈條的磨損伸長率如圖8 所示，磨損后伸長量如表5 所示。

表5 鏈條磨損后伸長量 單位：mm

圖8 鏈條磨損伸長率

從試驗結(jié)果來看，以96 h 為節(jié)點，在此節(jié)點之前，兩種鏈條耐磨伸長率是大致重合的，在此節(jié)點之后，兩者的磨損伸長率差值開始加大，隨著時間的增加，差值越來越大。試驗終止時，安裝有縫套筒的鏈條伸長率為1.329%，安裝無縫套筒的鏈條伸長率為0.726%，磨損伸長率相差0.603%，磨損伸長量相差13.998 mm，后者的耐磨性能明顯優(yōu)于前者。

4 結(jié)論

1）在套筒零件隨機裝配和無油潤滑的試驗條件下，無縫套筒鏈條耐磨性優(yōu)于有縫套筒鏈條。

2）有縫套筒鏈條運行過程中，當銷軸與套筒接縫鉸接觸時，便會在軸套之間產(chǎn)生小能量、低周期的循環(huán)沖擊，加劇軸套之間的磨損，導致鏈條磨損速度加快。

3）無縫套筒鏈條可以延長聯(lián)合收割機中鏈條的使用壽命，減少因磨損失效導致的停機維修時間，有一定的實際應用價值。