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挖掘机螺栓松动原因分析及预防措施

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-07-11  来源:中国挖掘机械网  浏览次数:649
核心提示:挖掘机工况恶劣,作业时振动很大,其工作装置、销轴、挡板、支重轮、车身附件等处的螺栓容易松动
        挖掘机工况恶劣,作业时振动很大,其工作装置、销轴、挡板、支重轮、车身附件等处的螺栓容易松动。因此,各主机厂的使用说明书中明确要求,每隔一定周期(如 250h)应检查、紧固某些关键部位螺栓。但这种方法无法杜绝螺栓松动,且很多关键部位螺栓在检查紧固周期之前就已松动,存在较大安全隐患。引起螺栓松动的原因是多方面的,需要从各个方面同时加以控制。本文结合挖掘机螺栓松动的典型案例,从刚度、振动、螺纹防松结构、预紧力、材料等方面探讨螺栓松动原因,并提出预防措施。

1. 刚度

本文所说的刚度,包括螺栓(紧固件)刚度和机架(被紧固件)刚度 2 个方面。

(1)螺栓刚度

螺栓在承受轴向变载荷时,在紧固力不变的条件下,应力变化幅越小,螺栓发生疲劳断裂的可能性越小,连接的可靠性越高。当工作拉力不变时,通过减小螺栓刚度,可减小应力变化幅;

当被连接件刚度、螺栓刚度均不变时,通过增大预紧力来增大工作拉力,也可减小应力变化幅。

适度增加螺栓长度,可减小螺栓刚度。如在回转支承、配重、履带护板、驾驶室防护网等处,可使用长螺栓,以减小螺栓刚度。

 

(2)机架刚度

通过取消垫片、使用刚度较大的垫片等方法可提高机架(被紧固件)刚度。如行走先导阀采用过渡块与行走踏板组件连接,过渡块可直接用螺栓拧紧。

机架刚度越小,振动从激振源(发动机)往周围传播的过程中,振动越容易被放大,所产生的应力幅越大。相反,机架刚度越大,整机稳定性则越好,相同条件下应力变化幅也越小。

某小型挖掘机整机由 5.5t 级升到 7t 级时,其发动机、驾驶室及机架都沿用了 5.5t 级的,其隔振效果变差,整机振动加大,螺栓松动现象加重。通过单方面调整减振器,效果不明显。后通过将机架加强,问题得到解决。

2. 振动

挖掘机螺栓一般采用普通螺纹,其螺纹升角小于螺纹副的当量摩擦角,以满足螺纹副自锁条件。螺栓拧紧后,螺栓头部和螺母支撑面的摩擦力也有防松作用。但是当螺栓安装在振动、冲击等变载荷的机件上,螺纹副间的摩擦力可能减小或瞬间消失。振动、冲击多次往复作用以后,就会造成螺栓松动。挖掘机振动部分包括发动机产生的振动和挖掘机作业产生的振动。

(1)发动机产生的振动

从发动机传递到整机的振动,与发动机悬挂系统的布置、减振器的类型有关。如某 47t 级挖掘机配置了康明斯 QSM11 型发动机。原设计发动机采用 3 点支撑,即风扇端设置 1 处支撑,飞轮端设置 2 处支撑。在 2000h 挖掘试验中,该机螺栓松动严重。通过调整减振器的轴向刚度后,改善了轴向加速度和振幅,但是出现横向冲击摆动,造成风扇护罩多次被打掉。

为此,将发动机 3 点支撑改为 4 点支撑,即将风扇端设置了 1 块转接板,其中间与发动机自带支架连接,两端再通过减振器与机架连接。改进后进行了测试,从测试数据来看,4 点支撑

与 3 点支撑相比,风扇端的隔振率提高了近 1 倍,飞轮端的隔振率也有小幅提高。

发动机减振器橡胶硬度、机架板厚、拧紧力矩也会影响隔振率。一般可通过降低减振器的轴向刚度来降低自振频率,以得到更好的隔振效果。但过多降低减振器轴向刚度,发动机受冲击时,减振器与机架板之间会产生间隙,减振器会因摩擦而损坏;同时也会影响减振器的径向刚度,引起发动机摆动。

(2)作业产生的振动

挖掘机作业产生的振动与液压系统匹配、整机稳定性有关,也受司机操作习惯的影响。液压系统的影响主要分为 2 个方面:液压系统启闭时的瞬间振动,以及协调性不佳给整机造成的冲击振动。

液压系统启闭时瞬间振动 液压系统启闭瞬间可给整机造成振动。减轻该振动,可从高压油路和先导油路 2 个方面进行控制。在动臂和斗杆高压油路增设单向节流阀,以在斗杆内收和动臂下降的回油路上节流。通过增加回油背压,提高泵的负载,降低泵的排量,达到降速的目的。此种方式,主要用在挖掘机加长臂等特殊工作装置上。

在先导油路增设缓冲阀,可减轻司机进行紧急停止时给挖掘机造成的振动,而在正常操纵时不起缓冲作用。因此,增设缓冲阀可提高司机操作的舒适性,且不会降低工作效率。若兼顾成本,可考虑使用隔板式先导单向节流阀。但是,此种节流阀受液压油黏度影响较大,冬季液压油黏度大时,使用效果较差。

液压系统的冲击振动 若挖掘机液压系统的协调性不好,会给挖掘机带来冲击振动。改进挖掘机协调性,主要从主阀芯规格、优先阀节流孔的通径与数量、电磁阀等方面考虑。

挖掘机液压系统产生的冲击振动,还与整机结构的稳定性有关。需要校核挖掘机配重的质量、重心位置等。此外,工作装置销轴和挡板螺栓、工作装置液压系统管夹螺栓、支重轮螺栓、回转支承螺栓松动等问题均与液压系统的冲击振动有关。

3. 螺纹防松结构

螺纹连接常用的防松方法有:摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副防松。一般而言,摩擦防松简单、方便,但不够可靠。重要部位的螺纹连接,尤其是挖掘机内部不易检查的螺纹连接,应采用机械防松方法。

(1)摩擦防松

摩擦防松包括双螺母并紧、弹垫、自锁螺母等方法。双螺母并紧防松方法结构简单,适用于平稳、低速、重载等固定连接场合。可用于挖掘机工作装置销轴的固定、U 型螺栓的固定等。由于弹簧垫的弹力不均衡,螺栓容易产生弯曲,弯曲的螺栓在冲击、振动的作用下容易松脱。某型号挖掘机早期采用 M8、M10、M12 的螺栓,均为弹簧垫加平垫防松结构,其防松效果较差,整机工作不到 500h 就有很多螺栓松动。后改为自制加大垫片,取得较好防松效果。加大垫片表面应光滑,不存在有害裂纹、划伤、毛边及弯曲,以避免装配时螺栓产生弯曲应力。

自锁螺母防松比较可靠,经多次拆装后,不会降低防松性能。该防松方法可用于座椅滑轨的 U 型手柄、收音机天线、照明灯等较小尺寸的螺纹副。

(2)机械防松

机械防松一般用于发动机减振器螺栓。将螺母焊接在一块折弯的支架上,通过支架折弯边的限位来达到防松目的。

(3)破坏螺纹副防松

在螺纹副旋合之前,在螺纹上涂抹螺纹紧固胶,属于破坏螺纹副防松。在螺纹上涂抹螺纹紧固胶并将螺纹副拧紧后,螺纹胶硬化、凝固,便可防止螺纹副松动。螺纹紧固胶用于重要部位的螺栓,如支重轮、链轮、发动机支座、发动机减振器、驾驶室底板架、驾驶室减振器、配重、回转马达、行走马达、回转支承的螺栓。

4. 预紧力

(1)结合面应符合要求

螺纹孔的精度一般为 6H 级,其预紧力的大小及紧固效果受紧固件和被紧固件结合面摩擦系数的影响。损伤或锈蚀的螺纹,紧固前应先用丝锥或板牙修整(俗称“回丝”),再用清洗剂将螺孔内部、螺栓表面以及结合面残留的油漆及污渍清洗干净。

(2)预紧力应适当

增大预紧力可减小应力变化幅。但预紧力不宜过大,必须控制在规定的范围内。这是因为预紧力过大将造成螺栓强度达到屈服点。使用扭矩扳手紧固螺栓时,螺栓承受的应力(预紧力)一般为螺栓屈服强度的 75%。如 10.9 级的螺栓,抗拉强度为 1000MPa,屈服强度为 900MPa,则预紧力为 675MPa。当使用扭矩扳手时,理论上拧紧力矩 T 与预紧力 F 有如下关系:

T ≈ 0.2Fd

式中: d 为螺纹公称直径。

此外,拧紧力矩还与紧固工具的精度有关。

当使用套筒扳手、普通扳手时,拧紧力矩应比使用扭矩扳手时略小。

(3)紧固后的处置

当螺栓按要求紧固后,需在螺栓头部(或螺母)和被紧固件表面涂抹颜色标记。一旦螺栓松动后,可向紧固方向逐渐拧紧,直至螺栓头部(或螺母)与被紧固件表面的标记再次重合。

5. 材料

(1)被紧固件

螺栓拧入被紧固件时,被紧固件材料不同,紧固螺栓拧入深度也不同,按照被紧固件为钢材、铸铁、轻合金排列顺序,螺栓拧入深度应逐渐增大。其中螺栓拧入钢材的深度应略大于螺纹公称直径,但是当螺栓公称直径小于 12mm,且拧入场合为电瓶接线柱、管夹、线夹、散热器防尘网、底封板时,其拧入深度可等于公称直径。铸铁铸造后在基体内形成的石墨有膨胀作用,可减少铸件体积的收缩,降低内应力,对振动的传递也能起削弱作用,有很好的抗振和吸振性能。如行走先导阀上的过渡块、发动机支架、压缩机支架为铸铁制作,其紧固螺栓的防松效果较好。

(2)螺纹座

螺纹座的材料选用尤为重要。当螺纹座的屈服强度过小时,有可能造成螺栓拧入后变形,引起早期疲劳失效,螺栓也容易松动。部分材料的屈服强度与板厚有关,如 Q235 钢材,其板厚越厚,屈服强度越小,选材时应注意。若螺纹座的抗拉强度过小,当使用扭矩扳手旋紧时,会直接损伤螺纹。因此,关键位置的螺纹座钢材一般选用 Q345B,普通位置的螺纹座钢材一般选用Q235B。

(3)自制加大垫片

旋紧螺栓时所用加大垫片不是标准件,且有严格的技术要求,因此只能自制。自制加大垫片材质一般为 45 号钢,硬度为 HRC39 左右,热处理方式为淬火加中温回火。若自制加大垫片热处理后硬度不够,可能会导致变形。当自制加大垫片硬度达到 HRC38 以上时,若要进行电化学镀锌,需经过 6h 低温(200℃)干燥处理,以防氢脆,然后进行炉中缓冷。将上述各项防松措施综合运用在整机设计及装配过程后,用户反映,整机螺栓松动问题明显减少,取得了良好的效果及经济效益。(《工程机械与维修》袁元 张璐)


 
关键词: 挖掘机 工况恶劣
 
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