水潤滑UHMW-PE軸承在特殊條件下的應(yīng)用研究

2012-02-13

作者：楊致政¹，何艷¹，魏秦¹，張明洪¹，王傳斌²
（1 西南石油學(xué)院；2 濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)公司）

　　摘　要：UHMW-PE是一種線性結(jié)構(gòu)的工程塑料，具有優(yōu)異的物理性能和機(jī)械性能，可用作水下潤滑軸承。通過有限元法驗(yàn)證了應(yīng)用于某軋鋼廠加熱爐輥道的UHMW-PE軸承（替代原金屬軸承）的合理性，論證了應(yīng)用的可行性。實(shí)踐證明，UHMW-PE軸承代替原金屬軸承使用壽命由1～2個(gè)月提高到6個(gè)月以上，改造24組輥道，年節(jié)省直接費(fèi)用達(dá)30萬元。
　　關(guān)鍵詞：超高分子量聚乙烯；軸承；潤滑；有限元分析
　　1、問題的提出
　　某鋼鐵公司軋鋼廠加熱爐采用一組集中驅(qū)動輥道，由于輥道長期處于高溫環(huán)境下工作，再加上潤滑系統(tǒng)的故障，輥道被動端軸承頻繁損壞，既增加了成本，又影響了生產(chǎn)。本研究結(jié)合水潤滑理論，提出了一種用于水潤滑超高分子量聚乙烯（簡稱UHMW-PE）軸承替代原金屬軸承的思路，實(shí)踐證明是可行的。圖1是改造原理圖，采用UHMW-PE軸承替代傳統(tǒng)的金屬軸承。軸承采取半剖形式利于安裝，并在軸承座外側(cè)設(shè)置壓力為0.1～0.2MPa的潤滑水（兼起冷卻作用）。

圖1 改造原理
1.上半軸承座；2.上半U(xiǎn)HMW-PE軸承；3.運(yùn)輸輥軸徑；4.螺栓；5.下半軸承座；6.下半U(xiǎn)HMW-PE軸承

　　2、UHMW-PE軸承
　　UHMW-PE是一種線性結(jié)構(gòu)的工程塑料，具有優(yōu)異的物理性能和機(jī)械性能，現(xiàn)已成為水下潤滑軸承中應(yīng)用較多的非金屬材料之一。但隨著UHMW-PE軸承應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，逐漸發(fā)現(xiàn)其抗磨粒磨損能力較差，這一缺陷限制了它在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，這種軸承的潤滑理論國內(nèi)外都還沒有形成，有人曾在MPV-200型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上對UHMW-PE及其合金軸承在水潤滑條件下的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，試樣尺寸為φ35mm×80mm,潤滑介質(zhì)為含沙量0.3%的自來水。認(rèn)為UHMW-PE及其合金軸承的摩擦因數(shù)隨載荷的增大而減小，隨速度的增大而增大，隨運(yùn)行時(shí)間的增長而降低，Z后趨于穩(wěn)定；其磨損率先隨速度的增大而減小，然后又隨速度的增大而增大，隨運(yùn)行時(shí)間的增長而降低，Z后趨于穩(wěn)定值。
　　3、有限元分析
　　3.1建立計(jì)算模型
　　幾點(diǎn)假設(shè)：由于零件的工作環(huán)境溫度高，取運(yùn)輸輥軸徑與軸承間摩擦系數(shù)為0.15（在此假設(shè)下可算得施加于軸承上的均布壓應(yīng)力為0.346635MPa，軸承接觸表面所受的摩擦應(yīng)力為0.041596MPa）；假設(shè)軸承受到的壓力均勻作用在下半軸承的表面上（上半軸承不受力）。由于是對稱結(jié)構(gòu)，考慮其受載情況，取其1/2建立一個(gè)平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，采用每節(jié)點(diǎn)2個(gè)自由度的8節(jié)點(diǎn)二維實(shí)體單元PLANE42，利用ANSYS軟件對其進(jìn)行有限元分析。查有關(guān)資料得到材料的有關(guān)參數(shù)為：彈性模數(shù)3000MPa，泊松比取0.25，材料抗拉強(qiáng)度σl為48MPa，抗壓強(qiáng)度σy為172 MPa，抗彎強(qiáng)度σw為62MPa，圖2是模型劃分網(wǎng)格后的示意圖。圖中L為軌線路徑。

圖2 模型劃分網(wǎng)格示意圖

　　3.2分析結(jié)果
　　經(jīng)過求解后，可以得到軸承內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力等值線圖和沿指定方向（路徑為圖2所示的L線段）的應(yīng)力曲線，見圖3～6。

圖3X向應(yīng)力等值線

圖4Y向應(yīng)力等值線

圖5X向應(yīng)力曲線1（1沿L向1）

圖6Y向應(yīng)力曲線1（1沿L向1）

　　在設(shè)定計(jì)算工況下，軸承的計(jì)算應(yīng)力：Z大抗壓強(qiáng)度σymax-x為0.326497 MPa (X向)，σymax-y為0.321007 MPa(Y向)；Z大抗拉強(qiáng)度σlmax-x為0.113441MPa (X向)，σlmax-y為0.009330MPa(Y向)，其計(jì)算強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其許用強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)的要求。

　　4、軸承磨損分析
　　4.1軸承磨損的實(shí)際應(yīng)用數(shù)值分析
　　本改造自正式投用以來，期間采用跟蹤取樣觀測手段對軸承的磨損情況進(jìn)行監(jiān)測，每月采取抽樣檢測的手段得到一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

　　根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為了解軸承的磨損規(guī)律，采用Matlab中的一維插值（立方樣條插值法）對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到軸承磨損經(jīng)驗(yàn)曲線，以便預(yù)測軸承的磨損情況。圖7是得到的擬合曲線。

圖7 一維三次樣條插值曲線

　　由圖7可以看出：軸承的磨損過程為急劇磨損—平穩(wěn)磨損—急劇磨損。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行的要求，由于運(yùn)輸輥道運(yùn)行精度不是太高，只要保證其壽命長、故障率低即可，一般其磨損量不超過2mm。根據(jù)磨損曲線，可預(yù)知軸承的磨損狀態(tài)，軸承的更換時(shí)間大約在6個(gè)月左右。實(shí)踐證明，軸承壽命達(dá)6個(gè)月以上，表明了假設(shè)計(jì)算及擬合曲線的正確性。
　　原金屬軸承的使用壽命僅為1～2個(gè)月（有時(shí)甚至投用幾天就損壞），其單價(jià)為2300元。而非金屬軸承單價(jià)為200～300元，現(xiàn)場共改造24組輥道，則年節(jié)省直接費(fèi)用達(dá)30萬元以上，減少停機(jī)時(shí)間等為生產(chǎn)間接創(chuàng)造的效益更是不可估量。
　　5、結(jié)論
　　5.1有限元分析表明，水潤滑超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）軸承替代原金屬軸承的思路完全可行，新軸承各項(xiàng)參數(shù)均能達(dá)到規(guī)定要求。
　　5.2根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得出UHMW-PE軸承的磨損經(jīng)驗(yàn)曲線，能夠?qū)S承的磨損情況進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)踐證明，UHMW-PE軸承替代金屬軸承完全可行。
　　5.3但是UHMW-PE軸承替代金屬軸承改造后，必須設(shè)置一套專門的潤滑水裝置，否則，集中傳動負(fù)載將急劇增大(系輥?zhàn)优cUHMW-PE軸承間干摩擦所致)，可能導(dǎo)致電機(jī)燒毀。

來源：《山東冶金》