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        一種農(nóng)機(jī)用拉桿斷裂故障分析研究與改進(jìn)

        2022-12-09 11:46:52阿依仙母
        新疆農(nóng)機(jī)化 2022年6期
        關(guān)鍵詞:故障結(jié)構(gòu)

        阿依仙母

        (鐵建重工新疆有限公司,新疆 烏魯木齊 830009)

        0 引言

        拉桿是農(nóng)業(yè)機(jī)械中比較重要和常見的部件,例如廂式采棉機(jī)、打捆機(jī)、采棉打包一體機(jī)等設(shè)備中都有拉桿。拉桿的主要作用是支撐機(jī)架或者箱體,拉桿結(jié)構(gòu)是否合理以及是否具有足夠的安全系數(shù),對機(jī)械裝備的穩(wěn)定性、安全性至關(guān)重要。實際工作中由于拉桿斷裂造成的事故也時有發(fā)生,因此深入研究拉桿結(jié)構(gòu),確保其具有足夠的安全系數(shù),以此來提升拉桿的使用壽命和設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性意義重大。本文主要通過研究拉桿的失效形式,分析故障因素、改進(jìn)拉桿結(jié)構(gòu),確定拉桿強(qiáng)度計算方法,為拉桿的設(shè)計、制造和實際工程應(yīng)用提供了參考。

        1 故障分析

        根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計拉桿故障具體表現(xiàn)為:(1)拉桿油孔處斷裂(均在位于油孔處出現(xiàn)斷口);(2)拉桿軸承孔變形;(3)關(guān)節(jié)軸承軸向跑偏;(4)關(guān)節(jié)軸承破裂,如圖1。以上故障導(dǎo)致拉桿斷裂并最終導(dǎo)致機(jī)架或者箱體掉落,受到不同程度的損壞,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

        圖1 拉桿故障

        綜合表現(xiàn)為:(1)拉桿斷裂,均從拉桿油孔處變形、斷裂;(2)軸承孔變形,引起關(guān)節(jié)軸承破裂、關(guān)節(jié)軸承軸向跑偏。

        具體故障可從人(人的要求)、機(jī)(工裝、設(shè)備、測量檢具等)、料(零部件、實物等)、法(標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品文件、工藝文件等)、環(huán)(環(huán)境因素等)、測(檢驗、測試、反饋等)等方面進(jìn)行分析(圖2)。

        圖2 魚骨圖

        1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計失誤

        現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn),懸掛拉桿的斷裂均源于油孔位置,油孔結(jié)構(gòu)造成拉桿軸承孔壁的應(yīng)力集中,局部強(qiáng)度不足,極大削弱了拉桿的整體強(qiáng)度。另外選用外圈倒角類型的關(guān)節(jié)軸承,但既未在拉桿軸承孔側(cè)面設(shè)計有供軸向固定收壓的溝槽,也未設(shè)計有用于軸向固定的結(jié)構(gòu),造成關(guān)節(jié)軸承外圈的軸向定位不足。

        1.2 仿形過于靈敏

        經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查反饋,執(zhí)行機(jī)構(gòu)在作業(yè)過程中,仿形過于靈敏,仿形碰到地面凸起后抬升懸掛的動作閾值設(shè)置較低,懸掛啟停瞬間產(chǎn)生慣性載荷(受到較大的慣性載荷沖擊)。在該慣性載荷的影響下,懸掛的功能實現(xiàn)正常,但增大了拉桿及軸承的最大工作應(yīng)力峰值,對拉桿的斷裂變形及軸承的破裂存在很大的隱患。

        1.3 材料的選用

        拉桿的材料為40Cr(σb≥980 MPa,σs≥750 MPa),該材料具有良好的力學(xué)性能,選用該種材料能滿足拉桿的設(shè)計要求。

        1.4 安裝工藝與方法

        經(jīng)查閱相關(guān)關(guān)節(jié)軸承的安裝工藝資料與本拉桿關(guān)節(jié)軸承的裝配工藝對比發(fā)現(xiàn),故障拉桿裝配缺乏關(guān)節(jié)軸承裝配專用設(shè)備,加之對關(guān)節(jié)軸承裝配工藝了解不足,造成軸承裝配工藝文件的不完善,未對安裝的關(guān)節(jié)軸承外圈進(jìn)行收壓固定處理,造成關(guān)節(jié)軸承的外圈定位不足,導(dǎo)致使用過程中外圈跑偏[1]。

        1.5 作業(yè)環(huán)境

        作業(yè)田地凹凸不平,農(nóng)機(jī)裝備在行駛過程中顛簸較大,對拉桿產(chǎn)生一定的慣性沖擊,根據(jù)顛簸試驗條件參數(shù)估算得:Fd≤2×105N,原拉桿的設(shè)計未對該沖擊載荷進(jìn)行充分的評估計算,與拉桿斷裂及軸承破裂有一定的關(guān)系。

        1.6 過程檢測

        缺乏相應(yīng)的檢測手段、質(zhì)檢環(huán)節(jié)未對安裝后關(guān)節(jié)軸承的軸向位移做專項檢查,導(dǎo)致軸承外圈跑偏等問題未能及時發(fā)現(xiàn)。

        2 故障解決方案

        2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)

        取消在危險截面上的油孔;加大拉桿尺寸,拉桿外徑SR由45 mm增至50 mm;拉桿厚度δ由22 mm增至28 mm,增加危險截面的面積;選用自潤滑關(guān)節(jié)軸承(GE30-FW-2RS)替換原潤滑型關(guān)節(jié)軸承(GE30-FO-2RS),避免油孔結(jié)構(gòu),軸承額定動載荷由80 kN提高至約212 kN,動載荷承受能力得到加強(qiáng);在拉桿軸承孔一側(cè)面設(shè)計有供軸向定位的凸臺,另一側(cè)面使用卡簧定位。

        2.2 調(diào)整仿形的靈敏度

        棉地局部路面存在平整度差的情況,采棉機(jī)行駛過程中采棉頭會根據(jù)仿形反饋,上下浮動頻繁,根據(jù)此種情況,經(jīng)過反復(fù)田間測試,發(fā)現(xiàn)較小的凸起,懸掛拉桿不抬升也不會影響棉花的采收質(zhì)量,故優(yōu)化調(diào)整仿形閾值至最優(yōu)值,既滿足采收又可以不碰撞損壞采頭。

        2.3 安裝工藝與方法

        軸承與軸承孔為過渡配合,當(dāng)受到載荷時,軸承有跑偏的風(fēng)險,通過增加軸向定位方式彌補(bǔ)軸承安裝的收壓固定,同時明確并編制下發(fā)工藝作業(yè)指導(dǎo)書,增加拉桿熱裝要求。

        2.4 過程檢測

        從設(shè)計源頭上,改進(jìn)結(jié)構(gòu),采用卡簧與拉桿孔壁擋肩對關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行軸向固定,避免了因漏檢軸向位移而導(dǎo)致的故障。

        3 理論計算分析

        拉桿一端通過與關(guān)節(jié)軸承、螺栓配合連接在機(jī)架上或箱體上。拉桿材料為40Cr,其材料力學(xué)性能參數(shù)如下:抗拉強(qiáng)度σb≥980 MPa,屈服強(qiáng)度σs≥785 MPa。首先,更改拉桿結(jié)構(gòu),從多角度對比原拉桿、改進(jìn)拉桿。

        圖3 拉桿連接示意圖

        3.1 拉桿抗拉強(qiáng)度計算[2-3]

        式中:F—拉桿的軸向拉力,N;A—拉桿危險截面面積,mm2。

        經(jīng)計算,在最大沖擊載荷下,拉桿軸向所受最大拉力F≤2×105N,拉桿的危險截面為b-b截面,其截面形狀示意圖如圖4。原拉桿的危險截面面積A1=606 mm2,改進(jìn)拉桿的危險截面面積A2=1 232 mm2。

        圖4 拉桿孔結(jié)構(gòu)示意圖

        分別將A1、A2帶入(1)式求解得,σt1=330 MPa,σt2=162 MPa

        40Cr的許用應(yīng)力計算:

        式中n--安全系數(shù),取1.3(因為該拉桿的拉力為少數(shù)高峰動載荷作用下的取值)

        將σb、σS和n的數(shù)值帶入(2)式,求解得:[σ]=565.8 MPa,此時σt1≤[σ]、σt1≤[σ],故以上兩種拉桿在抗拉強(qiáng)度方面均滿足使用要求。

        3.2 拉桿孔壁承壓應(yīng)力計算[2-3]

        式中d—拉桿孔徑,mm;δ—拉桿厚度,mm。

        原拉桿厚度δ1=22 mm;改進(jìn)后拉桿厚度δ2=28 mm;孔徑均為d=55 mm,帶入(3)式求解得:σc1=413 MPa,σc2=130MPa。

        孔壁承壓許用應(yīng)力[σc]=1.4[σ],帶入數(shù)值求解得[σc]=686 MPa,σc1≤[σc],σc2≤[σc]。

        綜上,以上兩種拉桿孔壁在承壓強(qiáng)度方面均滿足使用要求。

        3.3 拉桿孔的局部強(qiáng)度計算

        拉桿孔壁上的載荷分布情況與配合形式等有關(guān),根據(jù)拉桿孔與關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn),拉桿孔與關(guān)節(jié)軸承為過渡配合,拉桿的孔壁上承受正弦分布的載荷,如圖5。

        圖5 拉桿孔壁載荷分布

        根據(jù)平面曲梁理論計算拉桿孔危險截面上的應(yīng)力[4],結(jié)合拉桿孔結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),拉桿孔截面載荷的受力分析如圖6所示。因為本拉桿孔的b-b截面上開有油孔,故b-b截面為危險截面。

        圖6 截面載荷示意圖

        由平面曲梁的應(yīng)力公式計算b-b截面的應(yīng)力:

        式中A—危險截面的面積,mm2;K—截面系數(shù),對于矩形截面—截面形心層曲率半徑(對于矩形截面

        對于原有拉桿,截面形心層半徑R1=36.25 mm,h1=17.5 mm,開有油孔一端截面面積A1=246 mm2。將數(shù)值帶入平面曲梁的應(yīng)力公式求解得:K1=0.020,σ1內(nèi)b=1 558 MPa,σ1外b=-421.6 MPa;此時σ1內(nèi)b>[σ],原拉桿孔的尺寸結(jié)構(gòu)不能滿足孔的局部強(qiáng)度要求。

        對于改進(jìn)后的拉桿,截面形心層半徑R2=38.75 mm,h2=22.5 mm,一端截面面積A2=616.185 mm2。將數(shù)值帶入平面曲梁的應(yīng)力公式求解得:K2=0.0296,σ2內(nèi)b=557.6 MPa,σ2外b=-102.9 MPa;此時σ2內(nèi)b<[σ],σ2外b<[σ],改進(jìn)拉桿孔的尺寸結(jié)構(gòu)能滿足孔的局部強(qiáng)度要求。

        通過理論分析計算,改進(jìn)結(jié)構(gòu)完全滿足使用要求。

        4 結(jié)束語

        從市場的調(diào)研情況來看,通過以上多維度的優(yōu)化改進(jìn),拉桿的使用壽命得到了顯著的提升,經(jīng)過多個采季的驗證,再無拉桿斷裂故障出現(xiàn),表明此問題已得到根本的解決。

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