基于矿山开采工程的乳化泵金属曲轴优化设计研究

2020-03-27刘明亮

中国金属通报 2020年20期

刘明亮

（北京天地玛珂电液控制系统有公司，河北秦皇岛 100013）

在矿山开采工程中，乳化液泵诸多传动构件中，金属曲轴占据着非常重要的地位，在实际运转过程中，曲轴需要承受较大的交变载荷，因此对金属曲轴系统性能也提出了较高的要求。一旦在实际设计过程中，没有做好曲轴设计，赋予其良好的性能，将会对矿山工程中乳化液泵实际稳定运转带来非常严重的影响。基于此，有必要将乳化液泵曲轴设计作为矿山施工过程中的研究重点，通过进行深入分析，这对于提升液泵整体运转稳定性具有非常重要的意义。

1 乳化液泵金属曲轴设计原则

在实际进行乳化液泵金属曲轴设计时，应遵循以下设计原则：

首先，需要拟定金属曲轴上各零件的装配方案，这是曲轴结构设计的前提，具体装配方案内容简图如图1 所示。同时在进行曲轴各部分尺寸与形状设计时，应要求相应形状尺寸能够有效满足强度与刚度要求，针对不会对的金属曲轴强度与刚度影响的部位，如果很容易通过制造工艺来实现，在设计时，可选择直接去除，主要目的是减轻曲轴重量，提高曲轴性能[1]。

其次，如果金属曲轴工作表面存在不同部件配合要求，在设计时，还应注重考虑相应部件之间尺寸数列的标准化，比如需要考虑曲轴与轴瓦、轴承之间的尺寸配合标准等。在此基础上，还应结合实际需求，做好尺寸圆整工作。在初次进行设计时，针对曲轴主要尺寸，还可以采用类比的方式，参考同类型乳化液泵尺寸，确定乳化液泵的曲轴尺寸。还应注意的是，上述选择的同类型乳化液泵与设计乳化液泵柱塞力量级相同[2]。

最后，在实际进行矿山工程的乳化液泵金属曲轴设计时，要求曲柄半径、曲柄间相位角之间地间距均等，同时尽量减小两主轴颈间跨距，尽可能保证曲轴几何中心对称，从而在乳化液泵曲轴后续运转时，保证惯性力矩处于平衡状态。在矿山施工条件情况下，针对乳化液泵的金属曲轴工作表面及过渡圆角，可以对其进行硬化处理，并保证相应尺寸有着足够的精度，表面光滑整洁，能够降低应力的集中影响，强化金属曲轴工作表面耐磨性，增强工作表面疲劳强度[3]。

2 确定乳化液泵金属曲轴各段轴直径与长度

2.1 确定曲柄销直径与长度

在初步确定曲柄销直径时，可以参考以下经验公式：

在上述（1）式中，P表示的是最大柱塞力，单位是KN。在选择公式右端根号系数时，需要结合实际情况考虑，如果P比较小，偏心距也比较小，且有少量的曲拐数，或者即使曲拐数比较多，但存在中间支撑，主轴承有着比较强大承载能力，曲轴所选用的金属材料本身又有着较高的许用应力，那么在系数选择上，宜偏小一些。反之，选择的系数宜偏大一些。在确定曲柄销轴颈长度时，应注意检查取得的长度值与连杆大头轴瓦宽度是否相适应。而在连杆定位方面，一般有两种方式可供选择，一种是大头定位，一种是小头定位。当选择前者时，应将连杆大头轴瓦两端面作为定位面，通过利用该端面与曲柄销两侧配合端面间轴向间隙，来进行连杆轴向窜动的控制[4]。在选择间隙大小时，应充分考虑传动端配合公差、曲轴轴向移动等多种因素，一般该间隙取值区间为0.25 至0.6mm。当选择后者时，针对曲柄销轴向两肩而言，不得将其作为定位端，同时要求曲柄销长度应比轴瓦宽稍大一些，保障轴瓦在曲柄销轴向运动时，能够有足够的窜动余量。图1 是乳化液泵曲轴局部结构图，L代表曲柄销长度，1D代表曲轴颈直径，D代表曲轴轴承内径，t代表曲柄厚度，1t代表的是曲柄两侧台肩厚度。

L应满足液缸中心距a要求：

图2 曲轴局部结构图

2.2 确定主轴颈及中间支承颈直径和长度

在确定1D时，可根据以下公式：

通常而言，有着比较大的变形倾角，因此在确定具体尺寸时，需要考虑是否满足主轴承倾角允许值，然后以主轴承内径为依据，做好相应的圆整处理。而对中间支承颈直径而言，通常与中间轴承安装方式有着密切的关系，一般情况下，中间金属轴承直径与曲柄圆半径应相等，或者比曲柄圆半径大一些。为有效降低曲轴总重量，文章选择中间轴承直径与曲柄圆半径应相等[5]。然后通过公差控制方式，促使其能够在后续装配得更加顺利。对乳化液泵主轴承而言，一般采用的轴承类型为滚动轴承，而对中间支承轴承而言，也可以选择差异滑动轴承。在实际设计主轴颈和中间支承颈长度过程中，需要结合轴承宽度与实际装配方法，做好灵活确定分析。

2.3 曲柄圆直径及长度的确定

在确定曲柄圆直径时，需要考虑曲柄半径与曲柄销直径带来的影响，在实际设计过程中，应注意曲柄圆将曲柄销圆包括在内，出于减轻曲轴重量的因素考虑，设计值应尽可能要小[6]。

3 金属曲轴轴向尺寸链设计分析

在实际进行的矿山施工中，乳化液泵金属曲轴轴向尺寸链设计时，只有保证整体设计的合理性，才能完成后续箱体与曲轴的装配，促使曲轴发挥出更大的作用价值。不仅如此，只有做好乳化液泵金属曲轴轴向尺寸链设计，才能进一步提升后续曲轴加工精度，减轻曲轴加工的难度，降低曲轴整体加工成本。因此我们需要提高对乳化液泵曲轴轴向尺寸链设计的重视，在实际设计过程中，一般包括以下三种方法可供选择。

第一种方法为绝对标注设计方法，主要是通过选择输入端金属主轴承颈的轴向定位面，并将其作为曲轴设计的重要基准。这种设计方法有着如下几点优势，首先，针对不同尺寸，通常相互独立，彼此不会影响，更加易于加工。另一方面，在尺寸与尺寸之间，一般不会出现误差累积现象。但也有一定的劣势：比如为了确保后续的金属曲轴能够顺利装配，针对曲轴各个部位尺寸，通常在加工精度上有着非常高的要求，因此在实际加工过程中，需要选择一些比较先进的加工机床，整体加工难度也比较大，无形之中增大了曲轴加工的成本。

第二种方法为相对标注设计方法。主要是选择两端主轴承颈的轴向定位面，并将其作为曲轴设计的重要基准。这种设计方法主要优势如下：在实际设计时，只针对一些关键尺寸，有着非常高的加工精度要求，因此整体加工难度与加工成本得到了有效降低。但这种设计方法的缺陷也比较明显，即在实际设计加工时很容易累积误差，因此对后续曲轴装配带来了不利影响。

第三种方法是上述两者的混合方法，并将二者尺寸相结合，如下图3 所示。通过将上述两种设计方法融合在一起，更有助于方法优势的集中。比如在实际设计时，通过将相对标注法中一条长尺寸链进行分解，使其成为两条短尺寸链，在相应尺寸链组成环公差不变时，只需要减少环数，便能够有着提升封闭环的精度；在封闭环公差保持不变的状态下，通过减少环数，同样能够有效方法各组成环公差，最终能够有效稀释加工误差，使其能够从曲轴基准面向曲轴的两端分散，从而有效规避了尺寸链在实际加工过程中，会出现误差累积的问题。同时还能够减小加工难度，降低加工成本。因此在具体实践方面，可以选择将绝对标注法与相对标注法混合应用[7]。

另一方面，还应做好金属曲轴轴向定位尺寸计算。如图4 所示，为曲轴尺寸链，其中0L′是间接保证的尺寸，为封闭环；其余是组成环，在计算时可以采用（4）公式，顺利计算出金属曲轴长度方向各尺寸的公差值。