CN108453662A - 一种薄壁轴套拆解装置及拆解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁轴套拆解装置及拆解方法。所述薄壁轴套拆解装置包括底座，该底座上用于放置包容件和过盈配合在包容件内的薄壁轴套；其结构特点是还包括冷却装置和分离装置，所述冷却装置用于对薄壁轴套进行冷却使薄壁轴套径向收缩，所述分离装置用于将径向收缩后的薄壁轴套相对包容件拆解出。本发明利用冷却拆解薄壁轴套，实现薄壁轴套的少损或无损拆解，提高拆解效率和质量，降低再制造成本。

Description

一种薄壁轴套拆解装置及拆解方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁轴套拆解装置及拆解方法，属于再制造拆解领域。

背景技术

目前我国工程机械产品已进入退役高峰期，据估计到2020年退役工程机械将达到120万辆左右。薄壁轴套是工程机械铰接副中的关键元件之一，其周向局部受载，载荷变化频率高，易受损，需经常拆解以替换或再制造。

目前对这种薄壁轴套基本上采用机械拆解，依靠外加较大机械力来克服轴套和包容面之间由接触压力而产生的摩擦力，这种拆解方式对过盈配合的轴套和包容件损伤较大，尤其是在轴套受损变形的情形下。因此拆解后轴套一般废弃，包容件镗孔扩大直径，再根据镗孔尺寸，配套生产一个新品轴套(过盈配合与原设计等级一致)和新品销轴(间隙配合与原设计等级一致)以达到生产要求；这实质上对轴套和包容件实施的是准破坏性拆解，不节能环保，经济成本高，社会效益不好。

因此，只有进一步开展薄壁轴套拆解技术的研究，发现新的工艺方法，实现无损拆解才能有效节省工程机械的整机再制造时间和修复成本，提高效益。

发明内容

本发明旨在提供一种薄壁轴套拆解装置及拆解方法，利用液氮冷却拆解薄壁轴套，实现薄壁轴套的少损或无损拆解，提高拆解效率和质量，降低再制造成本。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种薄壁轴套拆解装置，包括底座，该底座上用于放置包容件和过盈配合在包容件内的薄壁轴套；其结构特点是还包括冷却装置和分离装置，所述冷却装置用于对薄壁轴套进行冷却使薄壁轴套径向收缩，所述分离装置用于将径向收缩后的薄壁轴套相对包容件拆解出。

本发明针对轴套与包容件过盈连接难拆解问题，基于材料的热胀冷缩原理，创造性地通过往薄壁轴套内部通入制冷剂(优选为液氮)对零件冷却降温，由于零件的尺寸差别和对传热及变形的敏感性不同，使得薄壁轴套产生明显的径向冷缩变形，而包容件径向冷缩不明显，导致过盈量变小，过盈配合效果被削弱或变为间隙配合。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述冷却装置为液氮冷却装置，该液氮冷却装置用于对薄壁轴套进行液氮浸没冷却。

所述液氮冷却装置包括用于储存液氮的罐和与罐连通的管道，所述管道的出液口设置在薄壁轴套处。

所述分离装置为丝杠螺母机构，该丝杠螺母机构的丝杆一端装有压头。

所述丝杠螺母机构包括具有内螺纹孔的支撑架，与该内螺纹孔配合且具有外螺纹的压力杆，该压力杆的底端装有所述压头，该压力杆的顶端装有把手。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述薄壁轴套拆解装置拆解薄壁轴套的方法，其包括如下步骤：

S1、通过仿真计算获得冷却条件下薄壁轴套与包容件的温度场随时间的变化规律；

S2、根据仿真温度场随时间的变化规律，计算不同时间不同温度场下薄壁轴套与包容件径向收缩变形及对应的实际拆解力大小，得到拆解力随冷却时间变化关系，并确定最合适的冷却时间为最佳拆解时刻；

S3、冷却薄壁轴套至最佳拆解时刻；

S4、移除冷却装置，通过分离装置将薄壁轴套相对包容件拆解出。

在步骤S2中所述的最合适的冷却时间是指薄壁轴套径向收缩与包容件径向收缩后之间的过盈配合被显著削弱或变为间隙配合，以达到拆除后两个部件均无实质性损伤的目的。

由此，本发明通过仿真计算获得冷却后轴套与包容件的温度场随时间的变化规律，以及拆解力随冷却时间的关系，获得最小拆解力对应的冷却时间。

所述冷却为液氮冷却，步骤S3中，将液氮注入薄壁轴套内浸没冷却，同时保持薄壁轴套内部液氮量基本稳定至冷却到最佳拆解时刻。由此，本发明对应的辅助装置包括液氮供应装置和轴套压力拆解装置；液氮经管道从液氮罐注入薄壁轴套内部，对轴套内壁进行冷却降温，经过一定时间的冷却后，由压力拆解装置的把手加载动力源，该螺旋压力装置的压头将轴套轻松压出。

步骤S1和S2中，设薄壁轴套的内径为2a，包容件的外径为2c，薄壁轴套和包容件的配合直径为2b，配合长度为l；摩擦系数为μ；E₁为薄壁轴套材料的弹性模量，E₂为包容件材料的弹性模量；v₁为薄壁轴套材料的泊松比，v₂为包容件材料的泊松比；λ₁为薄壁轴套的热导率，λ₂为包容件的热导率；tf₁为薄壁轴套的内部流体温度，tf₂为包容件的外面流体温度，t₀为薄壁轴套和包容件的初始温度；h₁为薄壁轴套内壁与液氮接触的传热系数，h₂为包容件外壁与空气接触的传热系数；ρ₁为薄壁轴套的材料密度、ρ₂为包容件的材料密度；c₁为薄壁轴套的比热容、c₂为包容件材料的比热容；η₁为薄壁轴套的线膨胀系数、η₂为包容件的线膨胀系数；

瞬态温度场分析，设薄壁轴套温度场为t₁(r,τ)，包容件温度场为t₂(r,τ)，r为径向位置，τ为冷却时间，则瞬态传热的基本方程组为：

边界条件为：

t₁(b,τ)＝t₂(b,τ)

初值条件为：

t₁(r,0)＝t₂(r,0)＝t₀

计算出薄壁轴套与包容件任意时刻对应的径向温度场分布函数t₁(r,τ)和t₂(r,τ)；

冷缩变形及拆解力分析，由上述瞬态温度场分析可得任意冷却时间τ₀对应的温度场t₁(r,τ₀)和t₂(r,τ₀)，则薄壁轴套的瞬态温度与其初始温度相比的温差函数为Δt₁＝|t₁(r,τ₀)-t₀|，包容件的瞬态温度与其初始温度相比的温差函数为Δt₂＝|t₂(r,τ₀)-t₀|；

则薄壁轴套外径处的径向收缩位移量为：

包容件内径处的径向收缩位移量为：

冷却变形后薄壁轴套与包容件之间的过盈量削弱值为2(u₁-u₂)，实际过盈量δ'＝δ₀-2(u₁-u₂)，其中δ₀为薄壁轴套与包容件之间的初始过盈量；

利用液氮冷却τ₀时间，过盈量削弱后的拆解力为

步骤S4中，利用分离装置将薄壁轴套相对包容件拆解的过程中，薄壁轴套的移动速度不大于5mm/s，优选为1-3mm/s。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用轴套和包容件传热和变形的差异，通过液氮低温冷却削弱实际过盈量，减小拆解力，能实现薄壁轴套的少损或无损拆解；本发明液氮冷却拆解方法及其辅助装置操作简单，灵活方便，能降低再制造零件拆解二次损伤和拆解后的修复成本并提高拆解效率，拆解成本较低。

本发明实现了薄壁轴套与试件之间的无损拆解，具有效率高，操作方便、成本低等优点；

本发明完善和发展了目前过盈连接零件无损拆解的新技术新工艺，进一步推动温差拆解方法在无损拆解的实际应用。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2是图1中拆解装置的主体正视图；

图3是图2的A向视图；

图4是图3的B-B剖视图；

图5是通过仿真计算得到的包容件和薄壁轴套之间不同过盈量配合的拆解力变化图。

在图中

1-底座，2-挡板，3-螺母，4-螺栓，5-包容件，6-薄壁轴套，7-压头，8-压力杆，9-把手，10-管道，11-罐。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种利用液氮冷却拆解薄壁轴套的装置，如图1-4所示，包括底座1，该底座1上用于放置包容件5和过盈配合在包容件5内的薄壁轴套6；其特征在于还包括液氮冷却装置和分离装置，该液氮冷却装置用于对薄壁轴套6进行液氮浸没冷却使薄壁轴套6径向收缩，所述分离装置用于将径向收缩后的薄壁轴套6相对包容件5拆解出。所述液氮冷却装置包括用于储存液氮的罐11和与罐11连通的管道10，所述管道10的出液口设置在薄壁轴套6处。所述分离装置为丝杠螺母机构，所述丝杠螺母机构包括具有内螺纹孔的支撑架，与该内螺纹孔配合且具有外螺纹的压力杆8，该压力杆8的底端装有所述压头7，该压力杆8的顶端端装有把手9。

一种利用液氮冷却拆解薄壁轴套的方法，首先根据零件具体尺寸通过仿真计算获得液氮冷却条件下轴套与包容件的温度场随时间的变化规律，并计算不同温度场下零件的收缩变形及冷却后的实际拆解力大小，得到拆解力随冷却时间的变化规律，依据拆解力衰减效果和时间成本确定最佳的冷却时间。然后将液氮罐里面的液氮由管道注入薄壁轴套，同时通过调节液氮罐阀门保持轴套内部液氮量基本稳定，冷却至最佳拆解时刻，加载动力源，该螺旋压力装置的压头将轴套轻松压出，从而实现低损伤或无损快速拆解。

利用液氮在金属表面沸腾传热对轴套进行冷却，通过仿真计算获得轴套与包容件的温度场随时间的变化规律，获得拆解力与冷却时间关系。综合考虑拆解力减小效果和时间因素确立最佳拆解时刻。

通过管道和调节液氮罐罐阀门往轴套内持续稳定注入液氮，始终保持轴套内壁被液氮浸没；到达最佳拆解时刻，迅速移除冷却辅助装置，由把手加载力源，该螺旋压力装置的压头向下位移将轴套压出。

本发明的主要原理是：利用液氮对轴套内壁冷却，由于零件的尺寸差别和对传热及变形的敏感性不同，使得薄壁轴套产生明显的径向冷缩变形，而包容件径向冷缩不明显，导致过盈量变小，过盈配合效果被削弱或变为间隙配合，从而实现快速低损伤或无损拆解。

具体而言，本发明通过如下步骤实现薄壁轴套在液氮冷却条件下无损拆解的工艺方法；

步骤1通过仿真计算获得液氮冷却条件下轴套与包容件的温度场随时间的变化规律；

步骤2根据仿真温度场随时间的变化规律，计算不同时间不同温度场下零件收缩变形及对应的实际拆解力大小，得到拆解力随冷却时间变化关系，并确定最合适的冷却时间为最佳拆解时刻；

步骤3将液氮罐里面的液氮由管道注入薄壁轴套，同时通过调节液氮罐阀门保持轴套内部液氮量基本稳定，冷却至最佳拆解时刻；

步骤4移除冷却辅助装置，加载动力源，通过螺旋压力装置的压头将轴套轻松压出。

步骤1至步骤4所述液氮冷却拆解薄壁轴套的关键工艺参数如下；

1、冷却方式：液氮完全浸没，沸腾传热冷却；

2、最佳冷却时间：依据拆解对象尺寸及材料参数而定；

3、螺旋压力装置压头位移速度：2mm/s。

本发明的拆解对象为过盈配合的轴套，外面包容件包括但不仅限于套筒；该螺旋压力装置可根据被拆对象不同尺寸更换压头。

本发明涉及过盈配合圆筒形状零件的瞬态传热与温差变形相关理论知识，下述以过盈配合的复合圆筒(内圆筒代表轴套，外圆筒代表包容件)为例，阐明本发明的理论依据。

设轴套的内径为2a，包容件外径为2c，两者配合直径为2b，配合长度为l；摩擦系数为μ；E₁、E₂分别为轴套与包容件弹性模量；v₁、v₂分别为轴套和包容件泊松比；λ₁、λ₂分别为轴套和包容件的热导率；tf₁、tf₂分别为轴套内部流体温度与包容件外面流体温度；t₀为轴套和包容件的初始温度；h₁、h₂分别为轴套与液氮接触传热系数和包容件与空气接触传热系数；ρ₁、ρ₂分别为轴套和包容件密度；c₁、c₂分别为轴套和包容件的比热容；η₁、η₂分别为薄壁轴套和包容件的线膨胀系数。

瞬态温度场分析，设轴套温度场为t₁(r,τ)，包容件温度场为t₂(r,τ)，r为径向位置，τ为冷却时间，则瞬态传热的基本方程组为：

边界条件为：

t₁(b,τ)＝t₂(b,τ)

初值条件为：

t₁(r,0)＝t₂(r,0)＝t₀

可计算出轴套与包容件任意时刻对应的径向温度场分布函数t₁(r,τ)和t₂(r,τ)。

冷缩变形及拆解力分析，由上述瞬态温度场分析可得任意冷却时间τ₀对应的温度场t₁(r,τ₀)和t₂(r,τ₀)，则则薄壁轴套的瞬态温度与其初始温度相比的温差函数为Δt₁＝|t₁(r,τ₀)-t₀|，包容件的瞬态温度与其初始温度相比的温差函数为Δt₂＝|t₂(r,τ₀)-t₀|；

则轴套外径处径向收缩位移量为

包容件内径处收缩位移量为

冷却变形后薄壁轴套与包容件之间的过盈量削弱值为2(u₁-u₂),实际过盈量δ'＝δ₀-2(u₁-u₂)，其中δ₀为薄壁轴套与包容件之间的初始过盈量。

综上，利用液氮冷却τ₀时间，过盈量削弱后的拆解力为

下面通过具体的实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

以过盈配合的黄铜轴套与作为包容件的45#钢基座为例。黄铜轴套公称内径20mm、外径28mm，45#钢基座公称内径28mm、外径68mm，配合长度25mm。首先以过盈配合模型进行仿真计算，得到轴套与45#钢基座的温度场随时间变化规律及拆解力的变化趋势。图5展示了不同过盈量配合模型在不同冷却时间下拆解力的变化规律。若某批次零件配合的过盈量在0.008mm至0.02mm的范围内，由于该批次零件过盈量在0.014mm附近概率最大，由图5可知，若将过盈量0.014mm模型拆解力衰减为零的时间200s确定为最佳冷却时间，能获得较好综合效果。以200s作为冷却时间，过盈量小于0.014mm的配合(占比0.5)零件拆解力都能衰减为零，最大过盈量0.02mm对应的拆解力也衰减了77％。

计算确定零件对应的最佳冷却时间后，按照图1所示，将黄铜轴套-45#钢基座至于拆解平台上，打开液氮罐阀门，往轴套内注入液氮至内壁全部浸没，并通过调节阀门保持轴套内液氮量基本稳定，冷却到最佳时间200s后，关闭阀门，移除冷却辅助装置。

加载动力，旋转把手，通过螺旋压力装置的压头以2mm/s的位移速度将轴套压出。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种薄壁轴套拆解装置，包括底座(1)，该底座(1)上用于放置包容件(5)和过盈配合在包容件(5)内的薄壁轴套(6)；其特征在于还包括冷却装置和分离装置，所述冷却装置用于对薄壁轴套(6)进行冷却使薄壁轴套(6)径向收缩，所述分离装置用于将径向收缩后的薄壁轴套(6)相对包容件(5)拆解出。

2.根据权利要求1所述的薄壁轴套拆解装置，其特征在于，所述冷却装置为液氮冷却装置，该液氮冷却装置用于对薄壁轴套(6)进行液氮浸没冷却。

3.根据权利要求2所述的薄壁轴套拆解装置，其特征在于，所述液氮冷却装置包括用于储存液氮的罐(11)和与罐(11)连通的管道(10)，所述管道(10)的出液口设置在薄壁轴套(6)处。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的薄壁轴套拆解装置，其特征在于，所述分离装置为丝杠螺母机构，该丝杠螺母机构的丝杆一端装有压头(7)。

5.根据权利要求4所述的薄壁轴套拆解装置，其特征在于，所述丝杠螺母机构包括具有内螺纹孔的支撑架，与该内螺纹孔配合且具有外螺纹的压力杆(8)，该压力杆(8)的底端装有所述压头(7)，该压力杆(8)的顶端端装有把手(9)。

6.一种利用权利要求1-5中任一项所述薄壁轴套拆解装置拆解薄壁轴套的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过仿真计算获得冷却条件下薄壁轴套与包容件的温度场随时间的变化规律；

S2、根据仿真温度场随时间的变化规律，计算不同时间不同温度场下薄壁轴套与包容件径向收缩变形及对应的实际拆解力大小，得到拆解力随冷却时间变化关系，并确定最合适的冷却时间为最佳拆解时刻；

S3、冷却薄壁轴套至最佳拆解时刻；

S4、移除冷却装置，通过分离装置将薄壁轴套相对包容件拆解出。

7.根据权利要求6所述拆解薄壁轴套的方法，其特征在于，所述冷却为液氮冷却，步骤S3中，将液氮注入薄壁轴套内浸没冷却，同时保持薄壁轴套内部液氮量基本稳定至冷却到最佳拆解时刻。

8.根据权利要求7所述拆解薄壁轴套的方法，其特征在于，步骤S1和S2中，设薄壁轴套的内径为2a，包容件的外径为2c，薄壁轴套和包容件的配合直径为2b，配合长度为l；摩擦系数为μ；E₁为薄壁轴套材料的弹性模量，E₂为包容件材料的弹性模量；v₁为薄壁轴套材料的泊松比，v₂为包容件材料的泊松比；λ₁为薄壁轴套的热导率，λ₂为包容件的热导率；tf₁为薄壁轴套的内部流体温度，tf₂为包容件的外面流体温度，t₀为薄壁轴套和包容件的初始温度；h₁为薄壁轴套内壁与液氮接触的传热系数，h₂为包容件外壁与空气接触的传热系数；ρ₁为薄壁轴套的材料密度、ρ₂为包容件的材料密度；c₁为薄壁轴套的比热容、c₂为包容件材料的比热容；η₁为薄壁轴套的线膨胀系数、η₂为包容件的线膨胀系数；

瞬态温度场分析，设薄壁轴套温度场为t₁(r,τ)，包容件温度场为t₂(r,τ)，r为径向位置，τ为冷却时间，则瞬态传热的基本方程组为：

边界条件为：

t₁(b,τ)＝t₂(b,τ)

初值条件为：

t₁(r,0)＝t₂(r,0)＝t₀

计算出薄壁轴套与包容件任意时刻对应的径向温度场分布函数t₁(r,τ)和t₂(r,τ)；

冷缩变形及拆解力分析，由上述瞬态温度场分析可得任意冷却时间τ₀对应的温度场t₁(r,τ₀)和t₂(r,τ₀)，则薄壁轴套的瞬态温度与其初始温度相比的温差函数为Δt₁＝|t₁(r,τ₀)-t₀|，包容件的瞬态温度与其初始温度相比的温差函数为Δt₂＝|t₂(r,τ₀)-t₀|；

则薄壁轴套外径处的径向收缩位移量为：

包容件内径处的径向收缩位移量为：

冷却变形后薄壁轴套与包容件之间的过盈量削弱值为2(u₁-u₂)，实际过盈量δ'＝δ₀-2(u₁-u₂)，其中δ₀为薄壁轴套与包容件之间的初始过盈量；利用液氮冷却τ₀时间，过盈量削弱后的拆解力为

9.根据权利要求6所述拆解薄壁轴套的方法，其特征在于，步骤S4中，利用分离装置将薄壁轴套相对包容件拆解的过程中，薄壁轴套的移动速度不大于5mm/s，优选为1-3mm/s。