自潤滑軸承在煤礦機(jī)械中的應(yīng)用

　　摘要:煤礦機(jī)械因使用環(huán)境特殊、使用工況惡劣以及本身結(jié)構(gòu)緊湊，給設(shè)備的使用維護(hù)增加了難度。固體自潤滑軸承綜合了金屬基體和自潤滑的優(yōu)點(diǎn)，突破了一般軸承靠潤滑油的局限性，可以充分的應(yīng)用到煤礦機(jī)械的設(shè)計(jì)制造當(dāng)中，具體解決了機(jī)構(gòu)中要求抗重載、抗污染、耐磨性好與機(jī)構(gòu)因長時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)、潤滑條件不佳所帶來的矛盾，也為煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)選型提供了一定參考。

　　關(guān)鍵詞:固體自潤滑軸承;煤礦機(jī)械;潤滑;機(jī)械；發(fā)表機(jī)械專業(yè)論文

　　0引言煤礦機(jī)械因其使用環(huán)境的特殊性，其設(shè)備各鉸點(diǎn)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)長期處于重載荷或沖擊載荷中，啟動頻繁或啟動負(fù)荷高，且長期在環(huán)境惡劣、污染嚴(yán)重的條件下使用，受工作環(huán)境或機(jī)械結(jié)構(gòu)空間限制，難以供油潤滑，以至于工作機(jī)構(gòu)經(jīng)常會出現(xiàn)鉸接銹蝕抱死、機(jī)構(gòu)失效等問題，導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作，增加了維護(hù)維修難度。為此，具體介紹了固體自潤滑軸承的特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了該軸承在煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)及應(yīng)用中的計(jì)算和裝配要求，為煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)選型提供了一定的參考。

　　1固體自潤滑軸承原理及其特點(diǎn)

　　1.1基本原理

　　固體自潤滑軸承是在滑動軸承基體的金屬摩擦面上布置排列有序、大小適當(dāng)?shù)目籽ǎ�并在孔穴中嵌入具有�?dú)特自潤滑性能的成型固體潤滑劑而制成的固體自潤滑軸承，如圖1所示。固體潤滑劑的潤滑面積一般為摩擦面積的25%～35%。該種類型軸承綜合了金屬基體和自潤滑材料的優(yōu)點(diǎn)，突破了一般軸承依靠潤滑油的局限性。固體自潤滑軸承比較常用的材料有高強(qiáng)黃銅合金、錫青銅、鋁鐵青銅等等;嵌入的固體潤滑材料主要有兩大品種:一種為人工石墨、天然黑鉛、MoS2合成，另一種以PTFE(聚四氟乙烯)為基體合成[1]。

　　

　　1.2主要特點(diǎn)固體自潤滑軸承特別適用于低速、重載、高溫、無油、污染以及在水中而無法加注潤滑油脂的特殊工況條件下使用，能有效減弱摩擦副金屬間的直接接觸，減小重啟動阻力，即使在很高的載荷下也能形成很好的固體潤滑膜，從而實(shí)現(xiàn)自潤滑效果[2]。主要特點(diǎn)為:

　　1)相比傳統(tǒng)的滾動軸承，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、設(shè)計(jì)靈活、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

　　2)有適量的彈塑性，能將應(yīng)力分布在較寬的接觸面上，提高軸承的承載能力。

　　3)往復(fù)運(yùn)動、擺動運(yùn)動、啟動停止頻繁等油膜難以形成的場所，可發(fā)揮優(yōu)越的耐磨性。

　　4)靜動摩擦因數(shù)相近，能消除低速下的爬行，從而保證機(jī)械的工作精度。

　　5)能使機(jī)械減少振動、降低噪聲、防止污染，改善勞動條件。

　　6)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中能形成轉(zhuǎn)移膜，起到保護(hù)對磨軸的作用，無咬軸現(xiàn)象。

　　2固體自潤滑軸承在煤礦機(jī)械中的應(yīng)用

　　由于煤礦機(jī)械因使用環(huán)境的特殊性，使用工況的惡劣以及本身結(jié)構(gòu)的緊湊性，給設(shè)備的使用維護(hù)帶來很大的不便。而固體自潤滑軸承可以充分的應(yīng)用到煤礦機(jī)械的設(shè)計(jì)制造當(dāng)中，例如:在結(jié)構(gòu)緊湊的減速器行星輪組件中應(yīng)用，在有相對運(yùn)動且不便潤滑的滑架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中應(yīng)用，還有在長時(shí)間工作且數(shù)量巨大的帶式輸送機(jī)托輥上應(yīng)用等，如圖2所示。固體自潤滑軸承的選用，能很好地解決上述機(jī)構(gòu)中要求零部件的耐磨、長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)以及外界潤滑條件不佳所帶來的矛盾。

　　

　　3固體自潤滑軸承在煤礦機(jī)械中的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　固體自潤滑軸承的設(shè)計(jì)與一般滑動軸承的設(shè)計(jì)相比有其特殊要求。設(shè)計(jì)時(shí)主要校核其PV值是否滿足設(shè)計(jì)要求，以及配合選取和使用壽命內(nèi)的磨損分析。

　　3.1PV值的計(jì)算與校核固體自潤滑軸承的主要失效形式為過渡磨損，防止磨損失效的關(guān)鍵在于能否保證軸頸和固體軸承內(nèi)圈之間形成一層邊界油膜。為此，在設(shè)計(jì)計(jì)算自潤滑軸承時(shí)要對以下參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算[3]。

　　1)工作壓強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算限制平均比壓P，避免在載荷作用下自潤滑軸承被完全擠出。

　　

　　式中:P為軸承的工作壓力，MPa;Fmax為軸承承受的最大徑向載荷，N;d為軸頸直徑，mm;L為軸頸的工作長度，mm;[]P0為軸承材料的許用壓力，MPa。

　　2)軸承工作線速度計(jì)算

　　

　　式中:v為軸承工作線速度，m/s;n為輪軸轉(zhuǎn)速，r/min;r為軸承半徑，mm。

　　3)PV值計(jì)算

　　限制固體自潤滑軸承的PV值，控制軸承的溫升，避免邊界膜的破裂。

　　

　　式中:[]Pv為PV的許用值，MPa。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算得PV值，查相關(guān)手冊可得許用安全[]Pv值。

　　3.2軸承內(nèi)徑和寬度的確定

　　軸承的內(nèi)徑由所配合的軸的直徑d確定。軸承寬度L則由軸承允許的工作壓力P確定，即

　　

　　由此可見，增大軸承寬度可提高承載載荷，降低軸承工作壓力，但寬度增加到一定數(shù)值后，可能使軸承的抗偏載能力和冷卻效果降低，反而過早的損傷軸承，故L/d值大到一定程度仍然不能滿足時(shí)，則可以選擇允許軸承工作壓力P較高的基體材料，或者在允許的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)加大軸頸，從而達(dá)到降低軸承寬度的目的。一般取L/d=0.5∶1.5;對于高速、高溫、高載荷的軸承一般取L/d≤1;對于高偏載的自潤滑軸承，一般取L/d≤0.5∶0.7。

　　3.3軸承壁厚的確定

　　考慮固體自潤滑軸承的熱膨脹、熱傳導(dǎo)以及機(jī)械強(qiáng)度的需要，其厚度只需滿足機(jī)械加工工藝的要求。一般情況下，軸承壁厚:t=(0.05～0.07)d+(2～5)mm(5)

　　3.4軸承磨損分析

　　固體自潤滑軸承的壽命，除急劇燒焦外，通常由軸承內(nèi)徑的磨損量來決定，磨損量主要受摩擦條件的影響，而摩擦又受承載、材質(zhì)、速度、雜質(zhì)、工作溫度、表面粗糙度、不同運(yùn)行方式以及所使用潤滑劑等條件影響。

　　4固體自潤滑軸承在煤礦機(jī)械中的裝配要求

　　4.1軸承外徑孔座的配合

　　固體自潤滑軸承的外徑一般取r7，安裝座孔取H7的過盈配合，特殊情況，如果過盈配合壓裝有困難，則可取m7，但軸承兩端須加裝穩(wěn)釘固定。固體自潤滑軸承的內(nèi)徑取E8，軸徑取d7(如果受到加工能力限制，可取d8或d9)，回轉(zhuǎn)精度要求高時(shí)可選e7。

　　4.2軸承的安裝

　　固體自潤滑軸承一般為薄壁結(jié)構(gòu)，安裝方法不當(dāng)容易造成軸承變形，故裝配時(shí)建議采用如圖3所示的芯棒壓入，座孔入口應(yīng)有倒角，芯棒頭部應(yīng)光滑，芯棒直徑d應(yīng)小于軸承內(nèi)徑的0.2～0.3mm。

　　

　　4.3軸承安裝后內(nèi)經(jīng)收縮量計(jì)算

　　當(dāng)固體自潤滑軸承壓入座孔后，壓入時(shí)的壓力使軸承內(nèi)徑收縮，此時(shí)外徑的過盈量δ和內(nèi)徑的收縮量Δ之間的關(guān)系受座孔強(qiáng)度、材質(zhì)、表面粗糙度以及壓入方式等因素的影響發(fā)生變化。當(dāng)座孔強(qiáng)度足夠，材質(zhì)為鐵系，軸承材質(zhì)為銅合金時(shí)，內(nèi)徑收縮量Δ可用下式計(jì)算，即:

　　

　　式中:Δ為軸承內(nèi)徑收縮量，mm;δ為軸承外徑過盈量，mm;d0為壓入前軸承內(nèi)徑，mm;DB為壓入前軸承外徑，mm。

　　4.4注意事項(xiàng)

　　1)裝配時(shí)軸承及安裝座和軸表面清理干凈，適當(dāng)涂抹潤滑脂。

　　2)裝配時(shí)應(yīng)緩慢壓入，嚴(yán)禁敲打，以免傷及軸承，引起變形。

　　3)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)不同的工況及安裝部位選用不同的基體材質(zhì)，以提高機(jī)械性能。

　　4)設(shè)計(jì)時(shí)在高承載、往復(fù)運(yùn)動中應(yīng)使用螺釘固定軸承。

　　5結(jié)論

　　固體自潤滑軸承因其結(jié)構(gòu)簡單、承載力強(qiáng)、高耐磨性、無需潤滑的優(yōu)良特性，現(xiàn)已在煤礦機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。通過介紹了固體自潤滑軸承在煤礦機(jī)械中的設(shè)計(jì)計(jì)算及裝配要求，為同行在固體自潤滑軸承設(shè)計(jì)、選型方面提供一定的參考作用。

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