喬 健，馬廣龍，賈曉亮

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院，甘肅 蘭州 730050)

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操作機(jī)吊掛系統(tǒng)中軸承損壞原因分析與對(duì)策

喬 健，馬廣龍，賈曉亮

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院，甘肅 蘭州 730050)

為了有效解決鍛造操作機(jī)吊掛系統(tǒng)中銅制滑動(dòng)軸承頻繁損壞的問(wèn)題，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，從損壞形式、受力情況以及軸承實(shí)際裝配情況等方面入手，對(duì)銅制滑動(dòng)軸承損壞的原因進(jìn)行了分析；同時(shí)，根據(jù)分析結(jié)果，制定出了對(duì)應(yīng)的解決方案，已成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了吊掛系統(tǒng)中滑動(dòng)軸承的安全可靠運(yùn)行，對(duì)保證操作機(jī)正常的生產(chǎn)作業(yè)具有重要意義。

操作機(jī)；吊掛系統(tǒng)；銅制滑動(dòng)軸承；承載壓力；自潤(rùn)滑軸承

鍛造操作機(jī)是快鍛壓機(jī)機(jī)組的主要配套設(shè)備，可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，夾持鋼錠，配合壓機(jī)完成鍛料運(yùn)送、旋轉(zhuǎn)、升降和傾斜等動(dòng)作，配合壓機(jī)完成各種鍛造工藝，是鍛壓行業(yè)不可或缺的重要設(shè)備[1]。應(yīng)用該操作機(jī)能有效提高機(jī)組工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。操作機(jī)能否正常工作對(duì)快鍛機(jī)組具有重要的意義。

1 吊掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

吊掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前，操作機(jī)故障主要出現(xiàn)在吊掛系統(tǒng)(可以實(shí)現(xiàn)鉗桿的平行升降或上下傾斜動(dòng)作)吊桿中滑動(dòng)軸承的損壞，合理解決吊掛系統(tǒng)故障問(wèn)題對(duì)保證操作機(jī)正常工作至關(guān)重要。

圖1 吊掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 吊掛系統(tǒng)中吊桿的銅制滑動(dòng)軸承損壞原因分析

銅制滑動(dòng)軸承的損壞主要包括除研傷、磨損及擠壓變形。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)失效軸承的分析，其損壞形式主要表現(xiàn)為過(guò)度磨損。其磨損量的大小主要受承載壓力、配合面相對(duì)速度、表面粗糙度、工作溫度和潤(rùn)滑情況等因素影響。根據(jù)生產(chǎn)廠家所提供的樣本，磨損量W近似計(jì)算公式如下：

W=KPVT

(1)

式中，W是磨損量，單位為mm；K是摩擦因數(shù)；P是承載壓力，單位為N/mm2；V是線速度，單位為mm/s；T是磨損時(shí)間，單位為h。

若軸承和軸的材料已知，摩擦因數(shù)可以確定，根據(jù)式1可知，軸承的磨損主要取決于承載壓力和線速度。

吊掛系統(tǒng)中吊桿銅制滑動(dòng)軸承損壞[2]的原因主要有下述幾個(gè)方面。

1)軸承的承載壓力。承載壓力是指軸承承受載荷時(shí)，軸承支承的最大載荷除以受壓面積。所謂受壓面積，當(dāng)軸承為圓柱形時(shí)，取與軸承接觸部分的載荷方向的投影。承載壓力P計(jì)算式如下：

(2)

式中，F(xiàn)是承載載荷，單位為N；D是軸承內(nèi)徑，單位為mm；L是軸承長(zhǎng)度，單位為mm。由承載壓力計(jì)算公式可知，軸承長(zhǎng)度是影響承載壓力的主要因素，也是導(dǎo)致軸承磨損的重要原因之一。

2)運(yùn)動(dòng)副的線速度。軸承的發(fā)熱量主要是由滑動(dòng)軸承的摩擦作用引起的，滑動(dòng)線速度V越大，單位時(shí)間內(nèi)同一位置磨擦的次數(shù)越多，從而磨擦量越大，軸承面溫度上升越快；因此線速度也是影響軸承磨損的重要影響。

3)滑動(dòng)軸承和軸的配合間隙超差。滑動(dòng)軸承和軸配合間隙超差主要來(lái)自機(jī)械加工。在通常情況下，為了便于安裝，會(huì)出現(xiàn)間隙值大于實(shí)際要求，從而導(dǎo)致滑動(dòng)軸承與軸的接觸面減小。根據(jù)滑動(dòng)軸承承載壓力計(jì)算公式[3]得出，隨間隙增大趨勢(shì)，承載包絡(luò)面接觸趨向線接觸，局部承載壓力增大，接近或超出滑動(dòng)軸承材料本身最高的承載壓力時(shí)，造成滑動(dòng)軸承損壞。

4)滑動(dòng)軸承材質(zhì)和潤(rùn)滑方式選擇不當(dāng)。吊掛系統(tǒng)頻繁損壞的軸承材質(zhì)為5-5-5錫青銅(ZCuSn5Pb5Zn5)，其基本性能見(jiàn)表1。這種滑動(dòng)軸承材料本身的最高承載壓力比較小，并且這種材料的滑動(dòng)軸承需要加潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑。如果滑動(dòng)軸承和軸配合間隙過(guò)小，無(wú)法形成油膜，軸與軸承趨于干摩擦，容易造成軸承損壞；反之，潤(rùn)滑油吸附鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的灰塵和氧化皮等顆粒狀雜質(zhì)也會(huì)加速軸承的磨損[4]。

表1 軸承材質(zhì)基本性能

5)操作人員操作不規(guī)范。操作人員操作不規(guī)范是指操作人員在鍛造過(guò)程中，鋼錠未放在下砧面上或上、下砧面未對(duì)正時(shí)使壓機(jī)壓下進(jìn)行鍛造，此時(shí)壓機(jī)壓力全部由鍛造操作機(jī)的鉗桿來(lái)承受，從而導(dǎo)致吊桿的滑動(dòng)軸套承受載荷過(guò)大，造成滑動(dòng)軸承受擠壓而損壞。

3 吊掛系統(tǒng)中吊桿滑動(dòng)軸承損壞的解決方法

吊掛系統(tǒng)中吊桿軸承損壞的解決方法主要有下述幾方面。

1)合理確定滑動(dòng)軸承長(zhǎng)度。在確定軸徑后，滑動(dòng)軸承長(zhǎng)度影響其承載壓力，軸承越長(zhǎng)，其所承受的承載壓力相對(duì)減小；反之，也會(huì)影響軸承使用性能。因此，確定軸承長(zhǎng)度很關(guān)鍵，一般選擇軸承L/D=0.5～3；但應(yīng)特別注意，在高載荷時(shí)易引起偏位接觸和高轉(zhuǎn)速時(shí)引起發(fā)熱情形，此時(shí)應(yīng)取L/D<1。

2)采用固體自潤(rùn)滑軸承。固體自潤(rùn)滑軸承[5]是在軸承基體的金屬摩擦面上開(kāi)出大小適當(dāng)、排列有序的孔穴，然后在孔穴中嵌入由具有獨(dú)特自潤(rùn)滑性能的成型固體潤(rùn)滑劑(固體潤(rùn)滑劑面積一般為摩擦面積的25%～35%)而制成的自潤(rùn)滑固體軸承。該軸承綜合了金屬基體和特殊配方潤(rùn)滑材料的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，突破了一般軸承依靠油膜潤(rùn)滑的局限性。固體潤(rùn)滑軸承的基體常用的材料有黃銅、錫青銅和鑄件等。嵌入的固體潤(rùn)滑材料主要有兩大品種：一種由天然黑鉛、人工石墨和二硫化鉬合成；另一種以PTFE為基體合成。

根據(jù)軸承的基本使用參數(shù)和性能(見(jiàn)表2)，新的吊桿軸承采用牌號(hào)為CuZn25Al6FeMn3并加入了石墨、二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑的固體自潤(rùn)滑軸承[6]，其自身最高承載壓力高，不需要潤(rùn)滑油，與軸配合的表面內(nèi)不易吸附灰塵和顆粒狀雜質(zhì)，提高了軸承使用壽命。

表2 軸承的基本使用參數(shù)和性能

同時(shí)，配合間隙的選取[7]也是決定滑動(dòng)軸承能否正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素。配合間隙在合適范圍內(nèi)，能有效保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)平滑進(jìn)行，配合面受力均勻，所以確定合理的配合間隙很關(guān)鍵。本次改進(jìn)中，軸、軸承和軸承座的配合間隙選取如圖2所示。

圖2 軸承裝配要求示意圖

3)對(duì)與軸承配合的軸的要求。

a.軸的材質(zhì)和硬度。一般情況下，軸的材質(zhì)選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼等，上述材質(zhì)經(jīng)調(diào)質(zhì)、表面淬火，表面的硬度應(yīng)超過(guò)軸承的硬度，這樣能達(dá)到好的效果。如果在硬雜質(zhì)、粉塵容易侵入的環(huán)境工作時(shí)，應(yīng)盡可能采用硬度較高的材質(zhì)。

b.軸的表面粗糙度。當(dāng)軸的表面粗糙度過(guò)高時(shí)，會(huì)加劇滑動(dòng)軸承的磨損，因此降低軸表面粗糙度，可以延長(zhǎng)軸承的使用壽命。一般情況下，軸的表面粗糙度應(yīng)≤Ra0.8 μm。

c.軸的表面處理。對(duì)軸進(jìn)行電鍍處理可提高其耐腐蝕性，而且能夠有效防止粗糙磨損。為防止軸生銹和硬雜質(zhì)、粉塵侵入加劇磨損，必要時(shí)應(yīng)對(duì)軸進(jìn)行鍍硬鉻處理。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鍛造操作機(jī)吊掛系統(tǒng)中吊桿的軸承損壞原因多種多樣，本文對(duì)吊桿的軸承損壞原因進(jìn)行了分析研究。在實(shí)際工作中，通過(guò)采取相應(yīng)的解決方法，使軸承頻繁損壞得到改善(2008年4月，江蘇天工工具股份有限公司3 t操作機(jī)吊掛系統(tǒng)通過(guò)上述解決方案，應(yīng)用至今運(yùn)行狀況良好)，有效保證了鍛造操作機(jī)的良好運(yùn)行。

[1] 張營(yíng)杰,衛(wèi)凌云,牛勇,等. 鍛造操作機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與研究方向[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012(2):11-14.

[2] 于群，齊富民，聞天苑. 最新軸承設(shè)計(jì)與技術(shù)規(guī)范、故障診斷實(shí)務(wù)全書(shū)[M]. 北京：當(dāng)代中國(guó)音像出版社，2005.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[4] 張憲文.滑動(dòng)軸承承載能力的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2011.

[5] 楊麗穎,李長(zhǎng)春,王守仁,等.固體自潤(rùn)滑軸承的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 軸承，2004(3):9-11.

[6] 顏志光.新型潤(rùn)滑材料與潤(rùn)滑技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 1999.

[7] 魏尚廷.滾動(dòng)軸承配合的選擇經(jīng)驗(yàn)[J]. 水力采煤與管道運(yùn)輸，2008(2):53-54.

責(zé)任編輯 鄭練

Solutions for Damaged Reason of Bearing of Manipulator’s Hanging System

QIAO Jian, MA Guanglong, JIA Xiaoliang

(Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute, Lanzhou 730050, China)

In order to solve the frequently damaged problem about the plain bearing which is used for hanging system of forging manipulator, based on the site, forces, assembled case and damaged forms, the damaged cause of copper plain bearing is analyzed. At the same time, according to the analysis results, the effective solutions is proposed and used successfully in actual production. Achieve the safe and reliable operation about the plain bearing of hanging system, which is obvious for ensuring the normal production work of manipulator.

manipulator, hanging system, copper plain bearing, bearing pressure, self-lubricating bearing

TH 11

A

喬健(1979-)，男，工程師，主要從事特種設(shè)備及其控制等方面的研究。

2016-05-18