CN108256200B - 一种工程机械链轨节的硬度场设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种工程机械链轨节的硬度场设计方法，包括以下步骤：步骤一，根据摩擦副零件的接触应力特征，确定支重轮轮体与链轨节的硬度比范围；步骤二，根据链轨节的结构尺寸、材料特性以及磨损极限后链轨节的侧面部分的弯曲强度要求，运用有限元软件进行弯曲强度分析，确定磨损极限和硬化层深度；步骤三，根据链轨节的材料的端淬曲线确定表面硬度；步骤四，根据链轨节在工况环境下的耐磨性要求、抗疲劳性要求和抗冲击性要求以及链轨节的材料特性和材料的热处理工艺，确定芯部硬度；步骤五，根据述链轨节的踏面部分和链轨节的侧面部分的硬化层深度的分布要求以及述链轨节的材料的端淬特性，确定硬度梯度分布。

Description

一种工程机械链轨节的硬度场设计方法
技术领域
本发明涉及机械设计领域，具体涉及一种工程机械链轨节的硬度场设计方法。
背景技术
履带链轨节作为履带行走装置的重要组成零件，常处于恶劣的工作环境，所受载荷复杂多样。在履带底盘工作过程中，链轨节踏面和支重轮轮体发生微动、滚动和滑动摩擦。链轨节的磨损失效是其主要的失效形式之一。链轨节磨损主要取决于工作现场的磨料种类及链轨节工作面的硬度和硬化层深度，链轨节设计时要求工作面要有足够的硬度和硬化层深度。链轨节承受的冲击载荷可以通过链轨节的芯部韧性来抵抗，链轨节磨损后，弯曲强度下降。
链轨节的硬度是通过材料的热处理来满足耐磨性和强度要求，链轨节整体调质确保芯部的硬度和强度要求，以抵抗使用过程中的冲击；表面淬火等热处理提高表面和次表面硬度确保链轨节的耐磨性能。为了满足链轨节的强度和耐磨性能，除合理选用材料和各种制造工艺，链轨节材料的热处理特性和链轨节的热处理强化工艺至关重要。
现有的链轨节硬度设计是通过材料的热处理特性确定链轨节表面硬度、硬化层深度和芯部硬度。链轨节热处理工艺方法过多的注重金属材料的性能与其成分、内部组织结构之间的关系和变化规律，在链轨节热处理工艺要求制定过程中，主要通过同类产品进行类比确定，没有把链轨节磨损、磨损链轨节的耐磨性以及磨损后强度要求有机的耦合起来。这样的设计是基于材料热处理特性的被动设计过程，而不是基于链轨节使用要求的主动设计过程，无法实现硬度梯度要求。因此，现有的链轨节硬度设计方法无法根据使用要求定量实现链轨节的热处理设计要求。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种工程机械链轨节的硬度场(包括任意点和任意截面的硬度)设计方法。
本发明提供了一种工程机械链轨节的硬度场设计方法，链轨节的踏面部分与支重轮轮体的轴径部分相互接触形成摩擦副，链轨节的侧面部分与支重轮轮体的轮缘部分相互接触形成摩擦副，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，根据摩擦副零件的接触应力特征，确定支重轮轮体与链轨节的硬度比范围；步骤二，根据链轨节的结构尺寸、材料特性以及磨损极限后链轨节的侧面部分的弯曲强度要求，运用有限元软件进行弯曲强度分析，确定链轨节的磨损极限和硬化层深度；步骤三，根据链轨节的材料的端淬曲线确定链轨节的表面硬度；步骤四，根据链轨节在工况环境下的耐磨性要求、抗疲劳性要求和抗冲击性要求以及链轨节的材料特性和材料的热处理工艺，确定链轨节的芯部硬度；步骤五，根据链轨节的踏面部分和链轨节的侧面部分的硬化层深度的分布要求以及链轨节的材料的端淬特性，确定链轨节的硬度梯度分布。
在本发明提供的工程机械链轨节的硬度场设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤一中，支重轮轮体与链轨节的硬度比在1.0-1.1之间。
在本发明提供的工程机械链轨节的硬度场设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤二中，链轨节的踏面部分和链轨节的侧面部分的磨损极限均不超过8mm；硬化层深度不超过15mm。
在本发明提供的工程机械链轨节的硬度场设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤三中，链轨节的表面硬度为52～56HRC。
在本发明提供的工程机械链轨节的硬度场设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤四中，链轨节的芯部硬度为25～36HRC。
在本发明提供的工程机械链轨节的硬度场设计方法中，还可以具有这样的特征：在步骤五中，链轨节的踏面部分和链轨节的的侧面部分深度为8mm处的硬度在45HRC以上、15mm处的硬度在40HRC以上、20mm处的的硬度在30HRC以上。
发明的作用与效果
本发明的链轨节的硬度场设计方法是基于链轨节使用要求和材料热处理特性的正向主动设计过程，即通过链轨节的结构特性和磨损特性确定链轨节的硬度匹配、表面硬度、硬化层深度和硬度梯度，通过链轨节的弯曲强度确定磨损极限。本发明提出链轨节的硬度场设计方法可以是确定任意一点和任意截面硬度，主要包括表面硬度、硬化层深度、芯部硬度、硬度梯度等，本发明提出的硬度场的设计是链轨节热处理工艺设计的理论依据。
本发明的链轨节的硬度场设计方法适用于低速工程机械履带链轨节和高速其它底盘履带链轨节的热处理硬度和硬度场要求的制定。满足了根据使用要求定量的提出链轨节的热处理设计要求。
附图说明
图1是本发明的实施例中链轨节的结构示意图；
图2是本发明的实施例中链轨节硬化要求示意图；以及
图3是本发明的实施例中链轨节的硬度场的硬度分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的链轨节的硬度场设计方法作具体阐述。
图1是本发明的实施例中链轨节的结构示意图。
在本实施例中以某工程机械链轨节为例，材料为35MnB。链轨节的结构如图1所示，图1中上图为链轨节仰视图，左下图为链轨节主视图，右下图为链轨节的侧视图。链轨节的硬度场确定主要包括链轨节踏面部分1和侧面部分2，链轨节的踏面部分1与支重轮轮体的轴径部分相互接触形成摩擦副，链轨节的侧面部分2与支重轮轮体的轮缘部分相互接触形成摩擦副。
本实施例中的工程机械链轨节的硬度场设计方法包括以下步骤：
步骤一，根据摩擦副零件的接触应力特征，确定支重轮轮体与链轨节的硬度比范围。
由前人大量实验经验表明支重轮轮体和链轨节硬度比控制在0.9～1.1之间时，摩擦副总磨损失量最小。根据摩擦副零件的接触应力特征进行摩擦副零件的硬度匹配，为了保证摩擦副零件的总磨损失量达到最小值，接触应力高的零件硬度稍大于接触应力低的零件硬度，硬度高的零件和硬度低的零件的硬度比控制在1.0-1.1之间。由于支重轮和链轨节的接触曲率不同，支重轮轮体接触部分的接触应力大于链轨节接触部分的接触应力；支重轮轮体和链轨节之间的接触摩擦副要确保支重轮轮体的硬度稍高于链轨节的硬度；支重轮轮体的耐磨性能要稍高于链轨节的耐磨性能。
在本实施例中，由于支重轮轮体的磨损比链轨节的踏面部分和侧面部分磨损严重，根据摩擦副零件的结构特性、加工特性以及经济特性，在链轨节的踏面部分和侧面部分的整个磨损过程中要保证链轨节的硬度低于支重轮轮体的硬度，因此，在本实施例中应将支重轮轮体与链轨节的硬度比控制在1～1.1的范围内。
步骤二，根据链轨节的结构尺寸、材料特性以及磨损极限后链轨节的侧面部分的弯曲强度要求，运用有限元软件进行弯曲强度分析，确定链轨节的磨损极限和硬化层深度。
图2是本发明的实施例中链轨节硬化要求示意图。
如图2所示，由于链轨节的踏面部分1主要承受支重轮轮体的径向载荷；链轨节的侧面部分2主要承受支重轮轮体的轴向载荷。随着链轨节的踏面部分和侧面部分的磨损，链轨节承受支重轮轮体轴向载荷的能力不断减小，链轨节抗弯曲强度下降，从而使得链轨节承载能力降低。为了保证链轨节的耐磨性，允许链轨节磨损量在一定的范围内仍能够继续工作，链轨节的硬化深度需要保证链轨节在磨损极限范围内具体良好的磨损特性，硬度不低于45HRC；磨损极限是可以通过链轨节的最低侧向弯曲强度求得，确保磨链轨节不发生弯曲失效。在本实施例中，链轨节的踏面部分和链轨节的侧面部分的磨损极限均不超过8mm；硬化层深度不超过15mm。链轨节侧面淬火区域尺寸A值要大于支重轮轮缘高5～10mm。
步骤三，根据链轨节的材料的端淬曲线确定链轨节的表面硬度。
在本实施例中，链轨节的材料为35MnB，属于中碳合金钢材料，采用中频淬火，根据35MnB材端淬曲线，表面硬度设计为52～56HRC，淬火深度能够保证图2的硬化层深度要求。
步骤四，根据链轨节在工况环境下的耐磨性要求、抗疲劳性要求和抗冲击性要求以及链轨节的材料特性和材料的热处理工艺，确定链轨节的芯部硬度。
履带链轨节服役环境恶劣，与支重轮轮体接触，对踏面部分和侧面部分的耐磨性、抗疲劳性和抗冲击性均有较高要求。链轨节不能淬透，需要具有一定的抗冲击性。芯部硬度过高容易出现热处理缺陷导致加工、抗冲击性能下降；芯部硬度过低导致强度、抗冲击性能不够；整体热处理的淬火零件，芯部硬度还影响硬化层深度。
在本实施例中，链轨节材料为35MnB，属于中碳合金钢，为了保证链轨节的抗冲击性能和韧性，采用整体调质工艺，芯部硬度为25～36HRC。
步骤五，根据链轨节的踏面部分和链轨节的侧面部分的硬化层深度的分布要求以及链轨节的材料的端淬特性，确定链轨节的硬度梯度分布。
在本实施例中，链轨节材料为35MnB，结合35MnB材料热处理特性，采用整体加热、整体喷水淬火的工艺，链轨节硬度梯度分布：踏面部分1深度为8mm处硬度在45HRC以上、15mm处的硬度在40HRC以上、20mm处的的硬度在30HRC以上；侧面部分2深度为8mm处的硬度在45HRC以上、15mm处的硬度在40HRC以上、20mm处的的硬度在30HRC以上。
图3是本发明的实施例中链轨节的硬度场的硬度分布示意图。
本发明的实施例中链轨节的硬度场的硬度分布参考图3。本实施例的链轨节的硬度场匹配设计方法为热处理工艺参数制定和优化提供的理论依据。
实施例的作用与效果
本实施例的链轨节的硬度场设计方法是基于链轨节使用要求和材料热处理特性的正向主动设计过程，即通过链轨节的结构特性和磨损特性确定链轨节的硬度匹配、表面硬度、硬化层深度和硬度梯度，通过链轨节的弯曲强度确定磨损极限。本实施例提出链轨节的硬度场设计方法可以是确定任意一点和任意截面硬度，主要包括表面硬度、硬化层深度、芯部硬度、硬度梯度等，本实施例提出的硬度场的设计是链轨节热处理工艺设计的理论依据。
本实施例的链轨节的硬度场设计方法适用于低速工程机械履带链轨节和高速其它底盘履带链轨节的热处理硬度和硬度场要求的制定。满足了根据使用要求定量的提出链轨节的热处理设计要求。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种工程机械链轨节的硬度场设计方法，所述链轨节的踏面部分与支重轮轮体的轴径部分相互接触形成摩擦副，所述链轨节的侧面部分与所述支重轮轮体的轮缘部分相互接触形成摩擦副，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据摩擦副零件的接触应力特征，确定所述支重轮轮体与所述链轨节的硬度比范围；
步骤二，根据所述链轨节的结构尺寸、材料特性以及磨损极限后所述链轨节的侧面部分的弯曲强度要求，运用有限元软件进行弯曲强度分析，确定所述链轨节的磨损极限和硬化层深度；
步骤三，根据所述链轨节的材料的端淬曲线确定所述链轨节的表面硬度；
步骤四，根据所述链轨节在工况环境下的耐磨性要求、抗疲劳性要求和抗冲击性要求以及所述链轨节的材料特性和材料的热处理工艺，确定所述链轨节的芯部硬度；
步骤五，根据所述链轨节的踏面部分和所述链轨节的侧面部分的硬化层深度的分布要求以及所述链轨节的材料的端淬特性，确定所述链轨节的硬度梯度分布，
其中，在步骤一中，所述支重轮轮体与所述链轨节的硬度比在1.0-1.1之间。
2.根据权利要求1所述的工程机械链轨节的硬度场设计方法，其特征在于：
其中，在步骤二中，所述链轨节的踏面部分和所述链轨节的侧面部分的磨损极限均不超过8mm；所述硬化层深度不超过15mm。
3.根据权利要求1所述的工程机械链轨节的硬度场设计方法，其特征在于：
其中，在步骤三中，所述链轨节的表面硬度为52～56HRC。
4.根据权利要求1所述的工程机械链轨节的硬度场设计方法，其特征在于：
其中，在步骤四中，所述链轨节的芯部硬度为25～36HRC。
5.根据权利要求1所述的工程机械链轨节的硬度场设计方法，其特征在于：
其中，在步骤五中，所述链轨节的踏面部分和所述链轨节的的侧面部分深度为8mm处的硬度在45HRC以上、15mm处的硬度在40HRC以上、20mm处的的硬度在30HRC以上。
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