劉明亮

（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有公司，河北 秦皇島 100013）

在礦山開采工程中，乳化液泵諸多傳動(dòng)構(gòu)件中，金屬曲軸占據(jù)著非常重要的地位，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，曲軸需要承受較大的交變載荷，因此對(duì)金屬曲軸系統(tǒng)性能也提出了較高的要求。一旦在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，沒有做好曲軸設(shè)計(jì)，賦予其良好的性能，將會(huì)對(duì)礦山工程中乳化液泵實(shí)際穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)帶來非常嚴(yán)重的影響?；诖耍斜匾獙⑷榛罕们S設(shè)計(jì)作為礦山施工過程中的研究重點(diǎn)，通過進(jìn)行深入分析，這對(duì)于提升液泵整體運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性具有非常重要的意義。

1 乳化液泵金屬曲軸設(shè)計(jì)原則

在實(shí)際進(jìn)行乳化液泵金屬曲軸設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

首先，需要擬定金屬曲軸上各零件的裝配方案，這是曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，具體裝配方案內(nèi)容簡(jiǎn)圖如圖1 所示。同時(shí)在進(jìn)行曲軸各部分尺寸與形狀設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)要求相應(yīng)形狀尺寸能夠有效滿足強(qiáng)度與剛度要求，針對(duì)不會(huì)對(duì)的金屬曲軸強(qiáng)度與剛度影響的部位，如果很容易通過制造工藝來實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，可選擇直接去除，主要目的是減輕曲軸重量，提高曲軸性能[1]。

其次，如果金屬曲軸工作表面存在不同部件配合要求，在設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)注重考慮相應(yīng)部件之間尺寸數(shù)列的標(biāo)準(zhǔn)化，比如需要考慮曲軸與軸瓦、軸承之間的尺寸配合標(biāo)準(zhǔn)等。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求，做好尺寸圓整工作。在初次進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)曲軸主要尺寸，還可以采用類比的方式，參考同類型乳化液泵尺寸，確定乳化液泵的曲軸尺寸。還應(yīng)注意的是，上述選擇的同類型乳化液泵與設(shè)計(jì)乳化液泵柱塞力量級(jí)相同[2]。

最后，在實(shí)際進(jìn)行礦山工程的乳化液泵金屬曲軸設(shè)計(jì)時(shí)，要求曲柄半徑、曲柄間相位角之間地間距均等，同時(shí)盡量減小兩主軸頸間跨距，盡可能保證曲軸幾何中心對(duì)稱，從而在乳化液泵曲軸后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，保證慣性力矩處于平衡狀態(tài)。在礦山施工條件情況下，針對(duì)乳化液泵的金屬曲軸工作表面及過渡圓角，可以對(duì)其進(jìn)行硬化處理，并保證相應(yīng)尺寸有著足夠的精度，表面光滑整潔，能夠降低應(yīng)力的集中影響，強(qiáng)化金屬曲軸工作表面耐磨性，增強(qiáng)工作表面疲勞強(qiáng)度[3]。

2 確定乳化液泵金屬曲軸各段軸直徑與長(zhǎng)度

2.1 確定曲柄銷直徑與長(zhǎng)度

在初步確定曲柄銷直徑時(shí)，可以參考以下經(jīng)驗(yàn)公式：

在上述（1）式中，P表示的是最大柱塞力，單位是KN。在選擇公式右端根號(hào)系數(shù)時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際情況考慮，如果P比較小，偏心距也比較小，且有少量的曲拐數(shù)，或者即使曲拐數(shù)比較多，但存在中間支撐，主軸承有著比較強(qiáng)大承載能力，曲軸所選用的金屬材料本身又有著較高的許用應(yīng)力，那么在系數(shù)選擇上，宜偏小一些。反之，選擇的系數(shù)宜偏大一些。在確定曲柄銷軸頸長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)注意檢查取得的長(zhǎng)度值與連桿大頭軸瓦寬度是否相適應(yīng)。而在連桿定位方面，一般有兩種方式可供選擇，一種是大頭定位，一種是小頭定位。當(dāng)選擇前者時(shí)，應(yīng)將連桿大頭軸瓦兩端面作為定位面，通過利用該端面與曲柄銷兩側(cè)配合端面間軸向間隙，來進(jìn)行連桿軸向竄動(dòng)的控制[4]。在選擇間隙大小時(shí)，應(yīng)充分考慮傳動(dòng)端配合公差、曲軸軸向移動(dòng)等多種因素，一般該間隙取值區(qū)間為0.25 至0.6mm。當(dāng)選擇后者時(shí)，針對(duì)曲柄銷軸向兩肩而言，不得將其作為定位端，同時(shí)要求曲柄銷長(zhǎng)度應(yīng)比軸瓦寬稍大一些，保障軸瓦在曲柄銷軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠有足夠的竄動(dòng)余量。圖1 是乳化液泵曲軸局部結(jié)構(gòu)圖，L代表曲柄銷長(zhǎng)度，1D代表曲軸頸直徑，D代表曲軸軸承內(nèi)徑，t代表曲柄厚度，1t代表的是曲柄兩側(cè)臺(tái)肩厚度。

L應(yīng)滿足液缸中心距a要求：

圖2 曲軸局部結(jié)構(gòu)圖

2.2 確定主軸頸及中間支承頸直徑和長(zhǎng)度

在確定1D時(shí)，可根據(jù)以下公式：

通常而言，有著比較大的變形傾角，因此在確定具體尺寸時(shí)，需要考慮是否滿足主軸承傾角允許值，然后以主軸承內(nèi)徑為依據(jù)，做好相應(yīng)的圓整處理。而對(duì)中間支承頸直徑而言，通常與中間軸承安裝方式有著密切的關(guān)系，一般情況下，中間金屬軸承直徑與曲柄圓半徑應(yīng)相等，或者比曲柄圓半徑大一些。為有效降低曲軸總重量，文章選擇中間軸承直徑與曲柄圓半徑應(yīng)相等[5]。然后通過公差控制方式，促使其能夠在后續(xù)裝配得更加順利。對(duì)乳化液泵主軸承而言，一般采用的軸承類型為滾動(dòng)軸承，而對(duì)中間支承軸承而言，也可以選擇差異滑動(dòng)軸承。在實(shí)際設(shè)計(jì)主軸頸和中間支承頸長(zhǎng)度過程中，需要結(jié)合軸承寬度與實(shí)際裝配方法，做好靈活確定分析。

2.3 曲柄圓直徑及長(zhǎng)度的確定

在確定曲柄圓直徑時(shí)，需要考慮曲柄半徑與曲柄銷直徑帶來的影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意曲柄圓將曲柄銷圓包括在內(nèi)，出于減輕曲軸重量的因素考慮，設(shè)計(jì)值應(yīng)盡可能要小[6]。

3 金屬曲軸軸向尺寸鏈設(shè)計(jì)分析

在實(shí)際進(jìn)行的礦山施工中，乳化液泵金屬曲軸軸向尺寸鏈設(shè)計(jì)時(shí)，只有保證整體設(shè)計(jì)的合理性，才能完成后續(xù)箱體與曲軸的裝配，促使曲軸發(fā)揮出更大的作用價(jià)值。不僅如此，只有做好乳化液泵金屬曲軸軸向尺寸鏈設(shè)計(jì)，才能進(jìn)一步提升后續(xù)曲軸加工精度，減輕曲軸加工的難度，降低曲軸整體加工成本。因此我們需要提高對(duì)乳化液泵曲軸軸向尺寸鏈設(shè)計(jì)的重視，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，一般包括以下三種方法可供選擇。

第一種方法為絕對(duì)標(biāo)注設(shè)計(jì)方法，主要是通過選擇輸入端金屬主軸承頸的軸向定位面，并將其作為曲軸設(shè)計(jì)的重要基準(zhǔn)。這種設(shè)計(jì)方法有著如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，首先，針對(duì)不同尺寸，通常相互獨(dú)立，彼此不會(huì)影響，更加易于加工。另一方面，在尺寸與尺寸之間，一般不會(huì)出現(xiàn)誤差累積現(xiàn)象。但也有一定的劣勢(shì)：比如為了確保后續(xù)的金屬曲軸能夠順利裝配，針對(duì)曲軸各個(gè)部位尺寸，通常在加工精度上有著非常高的要求，因此在實(shí)際加工過程中，需要選擇一些比較先進(jìn)的加工機(jī)床，整體加工難度也比較大，無形之中增大了曲軸加工的成本。

第二種方法為相對(duì)標(biāo)注設(shè)計(jì)方法。主要是選擇兩端主軸承頸的軸向定位面，并將其作為曲軸設(shè)計(jì)的重要基準(zhǔn)。這種設(shè)計(jì)方法主要優(yōu)勢(shì)如下：在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，只針對(duì)一些關(guān)鍵尺寸，有著非常高的加工精度要求，因此整體加工難度與加工成本得到了有效降低。但這種設(shè)計(jì)方法的缺陷也比較明顯，即在實(shí)際設(shè)計(jì)加工時(shí)很容易累積誤差，因此對(duì)后續(xù)曲軸裝配帶來了不利影響。

第三種方法是上述兩者的混合方法，并將二者尺寸相結(jié)合，如下圖3 所示。通過將上述兩種設(shè)計(jì)方法融合在一起，更有助于方法優(yōu)勢(shì)的集中。比如在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通過將相對(duì)標(biāo)注法中一條長(zhǎng)尺寸鏈進(jìn)行分解，使其成為兩條短尺寸鏈，在相應(yīng)尺寸鏈組成環(huán)公差不變時(shí)，只需要減少環(huán)數(shù)，便能夠有著提升封閉環(huán)的精度；在封閉環(huán)公差保持不變的狀態(tài)下，通過減少環(huán)數(shù)，同樣能夠有效方法各組成環(huán)公差，最終能夠有效稀釋加工誤差，使其能夠從曲軸基準(zhǔn)面向曲軸的兩端分散，從而有效規(guī)避了尺寸鏈在實(shí)際加工過程中，會(huì)出現(xiàn)誤差累積的問題。同時(shí)還能夠減小加工難度，降低加工成本。因此在具體實(shí)踐方面，可以選擇將絕對(duì)標(biāo)注法與相對(duì)標(biāo)注法混合應(yīng)用[7]。

另一方面，還應(yīng)做好金屬曲軸軸向定位尺寸計(jì)算。如圖4 所示，為曲軸尺寸鏈，其中0L′是間接保證的尺寸，為封閉環(huán)；其余是組成環(huán)，在計(jì)算時(shí)可以采用（4）公式，順利計(jì)算出金屬曲軸長(zhǎng)度方向各尺寸的公差值。

圖3 絕對(duì)、相對(duì)坐標(biāo)法相結(jié)合的尺寸鏈圖

在上式中，T0是指封閉環(huán)公差，T1、T2、T3、T5分別表示對(duì)應(yīng)的組成環(huán)公差。

圖4 曲軸尺寸鏈

4 總結(jié)

綜上所述，礦山工程中的乳化液泵金屬曲軸設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為系統(tǒng)復(fù)雜的工作，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注重嚴(yán)格遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，并從乳化液泵金屬曲軸各段軸直徑與長(zhǎng)度、曲軸軸向尺寸鏈設(shè)計(jì)入手，加強(qiáng)對(duì)乳化液泵曲軸設(shè)計(jì)的分析，提高乳化液泵曲軸設(shè)計(jì)質(zhì)量，增強(qiáng)乳化液泵整體性能，促使乳化液泵能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用價(jià)值。