CN108287956B - 一种工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法，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，根据支重轮轮体的结构尺寸、材料特性以及磨损极限后支重轮轮体的轮缘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，根据支重轮轮体的材料的端淬曲线确定表面硬度；步骤四，根据支重轮轮体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支重轮轮体的材料特性和热处理工艺，确定芯部硬度；步骤五，根据支重轮轮的轴径部分和支重轮轮体的轮缘部分的硬化层深度的分布要求以及支重轮轮的材料的端淬特性，确定硬度梯度分布。

Description

一种工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法
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支重轮轮体的硬度场设计方法。
背景技术
工程机械支重轮是底盘重要承载零件，一般工程机械支重轮包括轮体、端盖、主轴、密封、滑动轴承等零件。履带底盘工作过程中，支重轮轮体和链轨节踏面发生微动、滚动和滑动摩擦。支重轮轮体的磨损失效是其主要的失效形式之一。
支重轮的轮体磨损主要取决于工作现场的磨料种类及轮体工作面的硬度和硬化层深度。支重轮轮体承受的冲击载荷可以通过支重轮轮体的芯部韧性来抵抗，支重轮轮体的轮缘磨损后，轮缘的弯曲强度下降。支重轮轮体的硬度是通过材料的热处理来满足耐磨性和强度要求，轮体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轮体的耐磨性能。为了满足支重轮轮体的强度和耐磨性能，除合理选用材料和各种制造工艺，轮体材料的热处理特性和轮体的热处理强化工艺至关重要。
现有技术中支重轮轮体硬度设计是通过材料的热处理特性定性确定轮体表面硬度、硬化层深度和芯部硬度。支重轮体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，在支重轮轮体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，没有把支重轮轮体磨损、磨损轮体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，而不是基于支重轮轮体使用要求的主动设计，无法实现硬度梯度要求。因此，现有的支重轮轮体硬度设计方法无法根据使用要求定量地实现支重轮轮体的热处理设计要求。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种支重轮轮体的硬度场(包括任意点和任意截面的硬度)的设计方法。
本发明提供了一种工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法，支重轮轮体具有作为承载部分的轴径部分和作为接触摩擦部分的轮缘部分，支重轮轮体与链轨节相互接触部分(包括踏面部分和侧面部分)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，根据支重轮轮体的结构尺寸、材料特性以及磨损极限后支重轮轮体的轮缘部分的弯曲强度要求，运用有限元软件进行弯曲强度分析，确定支重轮轮体的磨损极限和硬化层深度；步骤三，根据支重轮轮体的材料的端淬曲线确定支重轮轮体的表面硬度；步骤四，根据支重轮轮体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支重轮轮体的材料特性和材料的热处理工艺，确定支重轮轮体的芯部硬度；步骤五，根据支重轮轮体的轴径部分和支重轮轮体的轮缘部分的硬化层深度的分布要求以及支重轮轮体的材料的端淬特性，确定支重轮轮体的硬度梯度分布。
在本发明提供的工程机械支重轮轮体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支重轮轮体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，支重轮轮体的轴径部分的磨损极限不超过8mm，支重轮轮体的轮缘部分的磨损极限不超过5mm，支重轮轮体的硬化层深度不超过15mm。
在本发明提供的工程机械支重轮轮体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，支重轮轮体的表面硬度为52-58HRC。
在本发明提供的工程机械支重轮轮体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，支重轮轮体的芯部硬度为25～36HRC。
在本发明提供的工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤五中，支重轮轮体的轴径部分深度为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；支重轮轮体的轮缘部分深度为5mm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
本发明提出的一种工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法，它是基于支重轮轮体使用要求和材料热处理特性的正向主动设计过程，即通过支重轮轮体的结构特性和磨损特性确定支重轮轮体的硬度匹配、表面硬度、硬化层深度和硬度梯度，通过支重轮轮体的轮缘的弯曲强度确定磨损极限。本发明提出支重轮轮体的硬度场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支重轮轮体热处理工艺设计的理论依据。本发明的方法适用于低速工程机械履带底盘和高速其它履带底盘支重轮轮体的热处理硬度和硬度场要求的制定。
附图说明
图1是本发明的实施例中支重轮轮体结构示意图；
图2是本发明的实施例中支重轮轮体的轴径部分和轮缘部分的硬化要求示意图；以及
图3是本发明的实施例中支重轮轮体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工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法作具体阐述。
图1是本发明的实施例中支重轮轮体结构示意图。
在本实施例中以某工程机械支重轮轮体为例，其材料为40Mn2，支重轮轮体结构和尺寸如图1所示，支重轮轮体具有轴径部分1和轮缘部分2。支重轮轮体与链轨节踏面相互接触形成摩擦副。
本实施例中工程机械支重轮轮体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踏面的硬度比范围。
由前人大量实验经验表明支重轮轮体和链轨节踏面硬度比控制在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稍高于链轨节的耐磨性能。
在本实施例中，支重轮轮体的硬度高于链轨节踏面的硬度，所以应将支重轮轮体与链轨节踏面的硬度比控制在1～1.1的范围内。支重轮轮体与链轨节踏面硬度比可通过控制支重轮轮体和链轨节材料匹配和热处理来实现。
步骤二，根据支重轮轮体的结构尺寸、材料特性以及磨损极限后支重轮轮体的轮缘部分的弯曲强度要求，运用有限元软件进行弯曲强度分析，确定支重轮轮体的磨损极限和硬化层深度。
为了保证支重轮轮体的耐磨性，允许支重轮轮体磨损量在一定的范围内仍然能够继续工作，支重轮轮体的硬化层深度需要保证轮体在磨损极限范围内具有良好的磨损特性，硬度不低于45HRC；磨损极限通过支重轮轮体的轮缘部分的最低弯曲强度求得，确保磨损极限后轮缘不发生弯曲失效。
图2是本发明的实施例中支重轮轮体的轴径部分和轮缘部分(图1中圈出的部分)的硬化要求示意图。
如图2所示，在本实施例中，由于支重轮体的轴径部分1主要承受径向载荷；轮缘部分2承受轴向载荷。随着支重轮轮体的磨损，轮缘部分2的尺寸不断减小，支重轮轮体的轴向承受载荷的能力相应也不断减小，即轮缘部分2的弯曲强度下降，支重轮轮体承载能力降低。本例支重轮轮体的磨损极限为轴径部分1不能超过8mm、轮缘部分2不能超过5mm。支重轮轮体的硬化层是保证支重轮的轴径部分1和轮缘部分2在达到磨损极限仍然具有一定的强度和耐磨性能，硬化层在磨损极限范围内的硬度在45HRC以上，考虑到芯部硬度，支重轮轮体的硬化层深度不超过15mm，否则容易出现淬火裂纹。
步骤三，根据支重轮轮体的材料的端淬曲线确定支重轮轮体的表面硬度。
在本实施例中，支重轮轮体的材料为40Mn2，属于中碳合金钢材料，采用中频淬火，根据40Mn2材料的端淬曲线，表面硬度设计为52-58HRC，淬火深度能够保证图2的硬化层深度要求。
步骤四，根据支重轮轮体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支重轮轮体的材料特性和材料的热处理工艺，确定支重轮轮体的芯部硬度。
支重轮轮体服役环境恶劣，因与履带链轨节接触，对轮缘部分的耐磨性、抗疲劳性和抗冲击性均有较高要求。支重轮轮体不能淬透，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，支重轮轮体材料为40Mn2，属于中碳合金钢，为了保证支重轮轮体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，根据支重轮轮体的轴径部分和支重轮轮体的轮缘部分的硬化层深度的分布要求以及支重轮轮体的材料的端淬特性，确定支重轮轮体的硬度梯度分布。
在本实施例中，支重轮轮体材料为40Mn2，根据40Mn2材料热处理特性，采用整体加热、整体喷水淬火的工艺。支重轮轮体硬度梯度分布：支重轮轮体的轴径部分1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；支重轮轮体的轮缘部分2深度为5mm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支重轮轮体的硬度场的硬度分布示意图。
本发明的实施例中支重轮轮体的硬度场的硬度分布参考图3。本实施例的支重轮轮体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
本实施例提出的一种工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法，它是基于支重轮轮体使用要求和材料热处理特性的正向主动设计过程，即通过支重轮轮体的结构特性和磨损特性确定支重轮轮体的硬度匹配、表面硬度、硬化层深度和硬度梯度，通过支重轮轮体的轮缘的弯曲强度确定磨损极限。本实施例提出支重轮轮体的硬度场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支重轮轮体热处理工艺设计的理论依据。本实施例的方法适用于低速工程机械履带底盘和高速其它履带底盘支重轮轮体的热处理硬度和硬度场要求的制定。
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)

1.一种工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法，所述支重轮轮体具有轴径部分和轮缘部分，所述支重轮轮体轴径部分与链轨节踏面相互接触以及所述支重轮轮体的轮缘部分与链轨节的侧面互接触形成两对摩擦副，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在1.0-1.1之间；
步骤二，根据所述支重轮轮体的结构尺寸、材料特性以及磨损极限后所述支重轮轮体的轮缘部分的弯曲强度要求，运用有限元软件进行弯曲强度分析，确定所述支重轮轮体的磨损极限和硬化层深度；
步骤三，根据所述支重轮轮体的材料的端淬曲线确定所述支重轮轮体的表面硬度；
步骤四，根据所述支重轮轮体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支重轮轮体的材料特性和材料的热处理工艺，确定所述支重轮轮体的芯部硬度；
步骤五，根据所述支重轮轮的轴径部分和所述支重轮轮体的轮缘部分的硬化层深度的分布要求以及所述支重轮轮的材料的端淬特性，确定所述支重轮轮体的硬度梯度分布。
2.根据权利要求1所述的工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法，其特征在于：
其中，在步骤二中，所述支重轮轮体的轴径部分的磨损极限不超过8mm，所述支重轮轮体的轮缘部分的磨损极限不超过5mm，
所述支重轮轮体的硬化层深度不超过15mm。
3.根据权利要求1所述的工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法，其特征在于：
其中，在步骤三中，所述支重轮轮体的表面硬度为52-58HRC。
4.根据权利要求1所述的工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法，其特征在于：
其中，在步骤四中，所述支重轮轮体的芯部硬度为25～36HRC。
5.根据权利要求1所述的工程机械支重轮轮体的硬度场设计方法，其特征在于：
其中，在步骤五中，所述支重轮轮体的轴径部分深度为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；所述支重轮轮体的轮缘部分深度为5mm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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