弧形闸门支铰双金属自润滑关节轴承的特性分析

发布时间：2012-06-26 浏览次数：863

大连三环复合材料技术开发有限公司

　　1、现状概述
　　自润滑关节轴承以其承载能力高、摩擦阻力小、工作寿命长、可承受偏载、可自动纠偏、适应性强等优良性能，受到工程界的广泛重视。目前此类轴承在水工闸门上的应用日益普遍，象平板门、弧门支铰、液压起闭机等。在弧形闸门支铰上大多采用铜合金镶嵌自润滑关节轴承，也有一部分采用圆柱形轴套。国产自润滑关节轴承在水工金属结构上的应用已经近十年的历史，在国内众多重点水利工程中得到普遍采用。
　　但是，近年来由于铜等有色金属价格飞涨，提高了轴承的制造成本。所以研究一种在性能上等同于或高于铜合金镶嵌自润滑关节轴承、在成本上又相对低廉的替代产品就势在必行。双金属自润滑关节轴承由此应运而生。
　　2、双金属镶嵌自润滑关节轴承的结构原理以及性能
　　双金属镶嵌自润滑轴承GE（W）…FZB056是以轴承钢为基体，表面堆焊高强铜合金（约1.5mm厚），其上加工若干孔穴被固体润滑剂所充满，固体润滑剂中的主要成分是聚四氟乙烯，同时轴承表面还涂有帮助跑合的固体润滑膜，实现自润滑。双金属的减磨材料结构提高了材料的刚性，改善了表面材料的受力条件，提高了承载能力，改善了表面摩擦状态，降低了摩擦系数。另外，表层铜合金仅1.5mm厚即可满足实际使用的寿命要求，因此降低了成本。
　　2.1静承载能力分析校核
　　轴承表面减摩材料为铜合金，厚度约为1.5mm，表层材料的屈服极限为350Mpa，硬度为HB110——130。关节轴承是一种球面副，理论上内外圈之间为点接触，作用在表面层的力可看作挤压应力。由于双金属材料的特点，表层铜合金材料的弹性模量不到基体轴承钢的一半，而且铜层和钢基体的厚度差别很大，因此可以假定在接触区铜合金与钢基体的变形相同，受力区的表层材料的受力为三向应力状态，按第三强度理论对许用的正压力计算如下：
　　根据广义虎克定律：
　　εx= [σx－μ(σy＋σz)]  ……………………………⑴
　　εx＇= [σx＇－μ＇(σy＋σz＇)]  ………………⑵
　　σx=σz   ……………………………………...……....……⑶
　　σx＇=σz＇………………………………………...………⑷
　　εx=εx＇…………………………………………...………⑸
　　铜合金：E = 97Gpa，μ= 0.34。钢基体：E＇= 206Gpa，μ＇= 0.30。
　　另外，铜合金层厚度为1.5mm，钢基体厚度为38.5mm.σx•1.5=σx＇•38.5，所以　σx＇= 0.04σx  …………...…….⑹
　　根据以上各式求得σx = 0.306σy
　　所以铜合金层的主应力为：σ1=σ2=σx=σt= 0.306σy，σ3=σy
　　根据第三强度理论：
　　σ1－σ3≤[σ0]，即(0.306-1)σy≤350MPa
　　许用正应力σy≤504Mpa
　　我们在300KN材料拉伸试验机上所做的压缩试验结果也证明了上述计算结果：
　　从压缩试验的结果可以看出在600MPa压力下材料还仍处于弹性变形阶段。
　　如果以许用正应力作为许用静载，按镶嵌面积25%计算，则该轴承的许用静载为504×（1-25%）=378Mpa。由于球面轴承各点受力是不均衡的，Z大压强是平均压强的1.334倍，因此允许的Z大压强为378/1.334=283Mpa。
　　2.2动承载能力分析校核
　　动承载能力测试是在模拟摆动试验机上进行的，预涂固体润滑膜，速度0.004m/s、摆角90°、摆动频率为15次/分钟，压力从40、60、80、100、110、120、130、140、150…Mpa逐级加载，每级运转时间为30分钟，一直到140Mpa，此时的轴承温度急剧升高，而且开始不稳定，纪录上一级的载荷即为极限动载荷——130MPa。
　　特大型关节轴承一般用于弧门支铰上，根据该轴承的通常使用条件，闸门的启闭机活塞速度一般为0.6m/min，也即0.01m/s，门板和支铰之间的距离较大，这样在轴承滑动球面上的线速度为0.001m/s以下。在如此低的线速度条件下轴承的承载能力完全可以用许用静载指标来校核，这样说来安全系数更高，更可靠。
　　弧门支铰轴承在承受径向载荷的同时还承受轴向载荷，轴向载荷主要是由于支臂的斜角布置以及变形引起的，因此应按当量载荷进行校核计算。当量载荷即为径向载荷与轴向载荷同时作用时与之效应相当的单一径向载荷。当量载荷P=X Fr，X为当量载荷系数，当Fa/Fr≤0.17时，
　　X=cosθ+5.142sinθ　θ=arctg(5.13)
　　当Fa/Fr≥0.17时，X=0.857+2.648
　　以上式中：
　　P-当量载荷；Fr-径向载荷；Fa-轴向载荷；X-当量载荷系数。
　　2.3 摩擦系数、磨损率以及寿命分析
　　摩擦系数、磨损率是由大连理工大学振动与强度测试中心（MA认证单位）在CZS-4000多功能大型试验机上进行的：载荷83MPa，速度16mm/s，转动形式为360°圆周往复运动，安装前预涂固体润滑剂，总滑动距离为1000m，有效试验时间为1042分钟。
　　试验测试结果如下：
　　（1）摩擦系数

　　（2）磨损量

       
　　（3）工作寿命分析
　　滑动1000米相当于真机运行50年，径向磨损量仅为0.11mm，根据以上试验结果可以看出，满足弧形闸门50年以上寿命是没有问题的。
　　2.4层间剪切强度
　　在WE-300液压式万能试验机上用专用检测装置测得铜合金层与钢基体层之间的层间剪切强度为248MPa，而且剪切破坏是发生在铜合金层而非结合面上。通过以上分析层间结合牢度完全可以满足使用要求。
　　2.5双金属自润滑轴承材料与单一特制高强度铜合金材料的性能对比，见下表：

　　3　结论
　　双金属的材料结构提高了材料的刚性，改善了表面材料的受力条件，提高了承载能力，改善了表面摩擦状态，降低了摩擦系数。虽然双金属自润滑材料的静载特性及耐磨性略低于高强铜合金，但其减摩性有了明显改善，提高了动载特性，而且其静载特性和耐磨性也同样相对优越，完全可以替代高强铜合金轴承材料。尤其是该材料节省了大量铜合金，大大降低了成本，使用前景极其广阔。通过以上对双金属自润滑关节轴承的静承载能力、动承载能力、摩擦磨损性能以及寿命的校核分析，可以说特大型双金属自润滑关节轴承能够满足水工金属结构弧形闸门支铰对轴承的各项性能要求，是可靠的。2005年和2006年重庆的石堤和酉酬工程在其弧门支铰上采用了GEW530HFZB056关节轴承，使用效果良好。2007年，大顶山工程全部采用GEW440HFZB056关节轴承，重庆嘉陵江航运开发草街航电枢纽冲砂系统闸门支铰轴承采用10套（五扇门）GEW630HFZB056-2RS关节轴承。这些实际应用业绩更加证明了特大型双金属自润滑关节轴承在弧门支铰上应用的可靠性。