玉米籽粒收获机风筛中间轴断轴故障分析及改进方法
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摘 要：某型号玉米籽粒联合收获机的风筛中间轴在作业过程中多次出现断轴故障，致使收获机不能进行正常生产作业。通过对该机作业过程的维护保养、操作环节的深入调查以及相关零部件设计结构的深入分析找出了该收获机风筛中间轴的断轴原因，改进后机器运行良好。
关键词：风筛中间轴;故障;分析;改进
中图分类号：S225.51 文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.03.079
0 引言
自走式玉米籽粒联合收获机能一次完成玉米收割、拉茎摘穗、输送、脱粒、清选、净籽、卸粮等环节，大大地缩短了玉米的收获周期，减少劳动强度，降低收获成本，提高作业效率。但是，由于个别机型中存在着零部件结构设计的问题，使机器在作业过程中频繁出现故障，不能正常工作，给用户造成很大的损失。合理的零部件结构设计，是确保玉米籽粒收获机作业过程中运行稳定、工作可靠、低故障率的前提和关键，需要农机装备的设计和生产者加以重视。
1 故障现象
某农户购置了一台4YZ-6型玉米籽粒联合收获机，在进行玉米收获生产作业过程中，频繁出现风筛中间轴断轴现象，虽经企业售后人员多次到现场服务均未得到有效解决，致使玉米籽粒收获机不能正常作业而停机。经了解，用户在该玉米籽粒收获机的使用过程中，严格执行产品出厂使用说明书的规定，对机器进行操作和进行维护保养，并存有每次维护保养记录，基本可以排除机器因使用保養不当造成故障的因素。
2 原因分析
2.1 风筛中间轴外侧支撑点选择不合理
该机风筛中间轴的安装状况及断裂轴局部结构，如图1、图2所示。从图中可以看到，该机风筛中间轴有两道支撑，内侧的支撑是通过一刚度较好的支架支撑在整机的底盘机架上（见图1），支撑较好;但外侧的轴承座支撑点设计存在缺陷（见图2）。首先，外侧轴承座的受力点设计在了强度和刚度很弱的提升机的外壳体上，而不是整机的机架上，虽然提升机壳体外壁的受力点处打了一个加强补丁，但壁厚1.5 mm左右的提升机外壳体强度和刚度很低，不足以对该轴径向力实现有效支撑;其次，外侧轴承座支架也是一薄板件，并与提升机外壳上的支点用两个M8螺栓固定，这样的设计更增加了外侧支座的柔性。由于该轴外侧皮带轮处受力点距离内侧支撑较好的轴承支座较远（大约320 mm，见图2），外侧轴承座又没有得到有效的支撑，使该轴形成悬臂轴，当整机作业时由于外侧轴承支座不能有效支撑，会使该轴靠近内侧轴承支座处承受很大的弯扭交变载荷，这种情况会严重影响风筛中间轴的使用寿命，增加断轴几率。
2.2 风筛中间轴的机械性能不能满足使用要求
经查该轴的技术文件显示，该轴选用的是45号冷拔圆钢，且装机状态仍然是冷拔毛料状态，没有进行调质处理，未经调质处理的冷拔料内部组织存在较大的内应力，其机械性能与进行调质处理后的机械性能相比下降很多，当加载弯扭交变载荷后容易产生应力集中而断轴。
2.3 风筛中间轴与其上装配的轴承之间的机械配合选择不合理
经分解该轴及查看该轴的技术文件显示，该轴为外径统一尺寸的无台阶光轴，其外径尺寸公差选的是IT9级（35-0.062+0），说明该轴与轴上的两个轴承内环之间的配合尺寸也是IT9级（35-0.062+0），这样的配合明显违背机械设计原则，按着机械设计原则，与轴承的配合应选择过盈或过度配合，相配合的公差带一般应选择IT5～IT7级，而涉案风筛中间轴选择了IT9级，当该机的风筛中间轴外径尺寸处于下偏差区间时，风筛中间轴与轴承内环内径的配合属于间隙配合，会形成转套，即轴承的内环内径与风筛中间轴外径产生相对转动，在加载的情况下，长时间相对转动摩擦会造成风机轴及轴承发热、退火，甚至咬死断轴。这种风机轴与轴承的间隙配合的设计还使外侧本就支撑刚度欠缺的零件轴运转过程中受力更加复杂，更加剧了断轴的风险。
3 改进方案
综上所述，该型号玉米籽粒联合收获机的风筛中间轴，在作业过程中多次出现断轴故障，主要是局部结构设计不合理，一是该轴的外部支撑刚度和强度不足，支点选择有误，使外部轴承受力没有得到有效支撑;二是该轴材料没有进行必要的热处理，其机械性能不能满足零件的使用要求;三是该轴的外表面与轴承的配合选择不合理。针对上述分析对该轴做如下改进：
（1）重新设计该轴的外部支撑，使该轴的外部支撑点与该机整机机架相连，使该轴的外部支撑端的受力直接作用在刚度良好的整机机架上，从而使该轴在作业过程中运行状态稳定。
（2）提高该轴的选材牌号或对该轴进行调质处理，提高对该轴的热处理技术要求，从而提高零件的机械性能满足使用要求。
（3）合理选择轴与轴承之间的配合，针对本机的实际情况轴与轴承之间的配合选择IT6级，是该轴在运行期间配合稳定。
4 结论
该玉米籽粒收获机风筛中间轴多次出现断轴事故的原因，是存在局部结构设计问题，经上述改进后作业运行良好。
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