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        上懸離心機(jī)球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副的優(yōu)化及應(yīng)用研究

        2022-11-10 04:39:36郭明超
        機(jī)電信息 2022年21期
        關(guān)鍵詞:磨損率離心機(jī)摩擦系數(shù)

        張 琦 闞 琛 郭明超

        (1.中核龍安有限公司,北京 100083;2.中國核電工程有限公司,北京 100840)

        0 引言

        離心機(jī)廣泛應(yīng)用于制糖工業(yè)中的甲糖膏分離,也適用于乙糖膏、葡萄糖膏、維生素VC、味精或類似的高黏度和高濃度的晶體物料的固液分離[1]。上懸離心機(jī)是通過電機(jī)帶動轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動,在離心力作用下去除溶液中不溶性殘渣的關(guān)鍵設(shè)備[2]。上懸離心機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動對其使用壽命和安全運(yùn)轉(zhuǎn)有較大影響,尤其是在啟停階段過臨界轉(zhuǎn)速時的振動對關(guān)鍵零部件損害較大。上懸離心機(jī)的振動是難以避免的,但振動超過限度時,輕則造成零部件損壞,影響機(jī)器使用壽命;重則造成重大安全事故,釀成嚴(yán)重后果。振動由多種因素導(dǎo)致,主要來自轉(zhuǎn)子本身的加工、平衡精度,裝配關(guān)系造成的殘余不平衡量及物料分散不均勻引發(fā)的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和振型的改變。

        某型號上懸離心機(jī)通過減振彈簧吸收轉(zhuǎn)子振動能量,以此減輕振動。球鉸機(jī)構(gòu)是支撐轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件,在上懸離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的振動通過球鉸的小角度自由擺動,將振動能量傳遞至減振彈簧,從而保證離心機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于上懸離心機(jī)的軸較長,組成球鉸機(jī)構(gòu)的球殼和球體間的摩擦界面上無流體潤滑劑,因此球殼球體摩擦副的摩擦形式為干摩擦。在實際服役過程中,球鉸機(jī)構(gòu)易發(fā)生因轉(zhuǎn)動不靈活而導(dǎo)致離心機(jī)主軸振動無法傳遞至減振彈簧的現(xiàn)象,從而引起離心機(jī)整體振動過大而損壞零部件,影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

        1 球鉸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計與服役工況

        如圖1所示,上懸離心機(jī)轉(zhuǎn)子垂直支撐在帶有4個橡膠彈簧的懸臂柔性轉(zhuǎn)子上,球鉸位于轉(zhuǎn)子上部,通過球鉸和平衡板把轉(zhuǎn)子的橫向振動轉(zhuǎn)換為以軸向為樞軸的擺動,實現(xiàn)平衡板沿軸向擺動,通過固定在平衡板上的減振彈簧消耗轉(zhuǎn)子振動產(chǎn)生的能量來調(diào)控設(shè)備整體的振動狀態(tài)。

        某型號上懸離心機(jī)的球鉸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與尺寸如圖2所示。球鉸機(jī)構(gòu)由球殼和球體組成,為裝配方便,球殼為一對半球殼[4]。球殼和球體之間的球面為摩擦副界面。

        目前,同類上懸離心機(jī)球鉸結(jié)構(gòu)的球殼和球體一般選用抗咬耐蝕不銹鋼Cr20Mn10Ni4Si3N制造。這種不銹鋼在酸霧腐蝕等抗咬合方面優(yōu)于Cr17Ni2和Cr18Ni9等其他類型不銹鋼,但苛刻的服役條件使得球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副仍然有較大的摩擦系數(shù),且上懸離心機(jī)振動較小、頻率較高,其振動是發(fā)生在近似緊配合的接觸表面之間的微米量級的運(yùn)動,粘著現(xiàn)象時有發(fā)生,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的振動無法有效傳遞至減振彈簧[5]。尤其是在啟動和停止過程中轉(zhuǎn)子處于臨界轉(zhuǎn)速時,若球鉸機(jī)構(gòu)摩擦界面發(fā)生粘著,離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓振動非常大,這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子主軸軸套等零件異常變形和非正常磨損而失效。

        2 球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副選材和潤滑方式研究

        球鉸機(jī)構(gòu)球殼和球體摩擦界面的低摩擦系數(shù)和良好的防粘著性能是實現(xiàn)振動能量傳遞的主要因素,優(yōu)化球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副材料及潤滑方式是充分發(fā)揮球鉸機(jī)構(gòu)傳遞振動功能的有效手段。根據(jù)工程材料的摩擦磨損經(jīng)驗規(guī)律,鋼—銅摩擦副性能優(yōu)于鋼—鋼摩擦副。因此,綜合考慮工程材料的摩擦磨損特性、上懸離心機(jī)酸霧和輻照等服役環(huán)境及本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),高硬度不銹鋼—高強(qiáng)度銅合金摩擦副是較為合適的選擇。

        本文對目前使用的抗咬耐蝕不銹鋼自配摩擦副和馬氏體不銹鋼—高力黃銅摩擦副在干摩擦和進(jìn)行防粘固體潤滑涂層處理兩種狀態(tài)下的微動摩擦磨損性能進(jìn)行了對比研究,目的在于設(shè)計出適用于上懸離心機(jī)的球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副。

        2.1 試驗方法

        摩擦磨損試驗在微動摩擦磨損試驗機(jī)(SRV-Ⅳ)上進(jìn)行。摩擦試樣的形狀與運(yùn)動方式如圖3所示。上試樣為圓柱型試樣,尺寸為?15 mm×22 mm;下試樣為盤試樣,尺寸為?25 mm×7.8 mm。上試樣圓柱面與下試樣平面形成摩擦副,接觸形式為圓柱面與平面形成的線接觸。下試樣固定不動,上試樣往復(fù)運(yùn)動,運(yùn)動方向與上試樣軸向的夾角為4°。微動摩擦磨損試驗在室溫下進(jìn)行,具體參數(shù)為往復(fù)行程0.5 mm、載荷50 N、頻率10 Hz、磨損時間30 min。

        摩擦副材質(zhì)及潤滑方式如表1所示,試驗方案1和2為抗咬耐蝕不銹鋼Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副,試驗方案3和4為馬氏體不銹鋼30Cr13與高力黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3組成的摩擦副。摩擦狀態(tài)分為兩種:(1)干摩擦狀態(tài);(2)防粘固體潤滑涂層潤滑狀態(tài)。防粘固體潤滑涂層為專用的干膜潤滑劑,牌號為FM-510,厚度為15 μm,僅制備在下試樣圓盤表面。

        表1 摩擦磨損試驗方案

        摩擦副三種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2所示。

        表2 摩擦副三種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能

        摩擦系數(shù)由試驗機(jī)給出,每秒記錄一個摩擦系數(shù)數(shù)據(jù),取其磨損周期內(nèi)的平均值。磨損率按下式計算:

        式中:W為體積磨損率[m3/(N·m)];V為摩擦過程中材料的損失體積(m3);P為載荷(N);L為摩擦總位移(m)。

        上試樣圓柱磨損體積為磨損截面面積與長度的乘積;下試樣磨痕形狀為U型槽,磨損體積為U型槽截面面積與其長度的乘積。磨損體積測量儀器為光學(xué)測量顯微鏡(Carl Zeiss Image A2M)和光學(xué)三維輪廓儀(MicroXAM-3D Surface Profiler)。每種摩擦磨損試驗進(jìn)行三次,摩擦系數(shù)和磨損率取三次重復(fù)試驗結(jié)果的平均值。

        2.2 試驗結(jié)果與討論

        圖4為試驗方案1和3在干摩擦狀態(tài)下盤試樣磨損表面光學(xué)微觀形貌圖,可以看出,圖4(a)抗咬耐蝕不銹鋼自配摩擦副表面為犁溝狀磨痕,為典型的磨粒磨損形貌;圖4(b)磨痕凸起,下試樣未磨損。這是因為在摩擦過程中,對偶銅合金通過摩擦轉(zhuǎn)移粘附到下試樣表面,導(dǎo)致磨痕為凸起狀,無材料損失且體積增加。根據(jù)磨損率的定義,磨損體積為負(fù)數(shù),磨損率用負(fù)數(shù)表示。

        表3顯示了兩種摩擦副在干摩擦和進(jìn)行固體潤滑涂層處理狀態(tài)下的摩擦系數(shù)和磨損率。可以看出,在干摩擦狀態(tài)下,30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦系數(shù)較低,且在本試驗條件下盤試樣30Cr13無磨損。Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副摩擦系數(shù)較高,且磨損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副。在兩種摩擦副表面涂覆防粘固體潤滑涂層后,摩擦系數(shù)均有所降低,且30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦系數(shù)較低。試驗表明,在試樣表面涂覆防粘固體潤滑涂層可以降低摩擦系數(shù)和磨損率,并防止金屬表面間的粘著。綜合上述試驗結(jié)果,30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副在微動磨損狀態(tài)下的摩擦學(xué)性能優(yōu)于Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副,可作為上懸離心機(jī)的球鉸機(jī)構(gòu)摩擦副。

        表3 四種摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率

        2.3 摩擦磨損試驗小結(jié)

        (1)在干摩擦狀態(tài)下,30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副的摩擦學(xué)性能優(yōu)于Cr20Mn10Ni4Si3N自配摩擦副的摩擦學(xué)性能;

        (2)在30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3摩擦副30Cr13表面制備固體潤滑涂層,可有效減少銅向鋼的粘著與轉(zhuǎn)移,減少銅件的磨損,穩(wěn)定和減小摩擦系數(shù),并顯著提高摩擦副的抗磨損性能;

        (3)在四對摩擦副中,30Cr13/ZCuZn25Al6Fe3Mn3(涂覆防粘固體潤滑涂層)摩擦副具有最優(yōu)的摩擦學(xué)性能。

        3 自潤滑球鉸摩擦副設(shè)計

        基于上述摩擦副材質(zhì)和潤滑方式的試驗研究,自潤滑球鉸機(jī)構(gòu)球殼選用30Cr13鋼制造,球體則選用ZCuZn25Al6Fe3Mn3制造,在球體表面嵌入復(fù)合固體潤滑柱。

        試驗方法:將離心機(jī)在20 s內(nèi)勻加速至2 000 r/min,并通過測量離心機(jī)轉(zhuǎn)子不同位置的振幅來測試球鉸機(jī)構(gòu)傳遞振動的性能。將3個振幅傳感器自上而下分別置于轉(zhuǎn)子平衡板處、轉(zhuǎn)鼓上部和轉(zhuǎn)鼓下部,振動信號經(jīng)同步跟蹤數(shù)字向量濾波,得到只含有與轉(zhuǎn)速同頻的基頻分量,獲得不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的共振振幅。

        從表4所列三個位置的振幅可以看出,安裝抗咬耐蝕不銹鋼時,轉(zhuǎn)鼓的共振振幅遠(yuǎn)大于安裝自潤滑球鉸時的振幅。

        表4 轉(zhuǎn)子共振振幅

        4 結(jié)論

        根據(jù)不同材料的摩擦試驗與離心機(jī)試驗結(jié)果,得出如下結(jié)論:

        (1)干摩擦和固體潤滑涂層潤滑條件下,馬氏體不銹鋼與高力黃銅摩擦副的摩擦學(xué)性能均優(yōu)于抗咬耐蝕不銹鋼自配摩擦副的摩擦學(xué)性能。

        (2)自潤滑球鉸機(jī)構(gòu)具有優(yōu)良的振動傳遞性能,能夠?qū)⑤S系的振動有效傳遞至吸收振動能量的減振彈簧,從而減小上懸離心機(jī)的振動,確保正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

        (3)球鉸微動造成接觸表面間的摩擦磨損是影響球鉸性能的主要因素,通過優(yōu)化摩擦副性能、增加自潤滑等方式,有效抑制了微動磨損的發(fā)生,為后續(xù)設(shè)計和問題分析提供了新的思路。

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