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鏈斗式挖泥船下導(dǎo)輪軸瓦磨損原因分析及措施研究

2010-07-01

作者：王守元；田春艷
（黑龍江省航道局）
　　摘　要：分析了下導(dǎo)輪軸承易于磨損的原因，提出了改進措施，收到了一定效果。
　　一、前言
　　我局現(xiàn)有2艘建造于80年代的鏈斗式挖泥船，該船是完成三姓淺灘整治工程、中俄界江疏浚工程的主流船舶。但是該船挖泥系統(tǒng)的下導(dǎo)輪軸承卻因密封問題而成為易損部位，二十多年來問題一直沒能很好解決。這不僅影響生產(chǎn)而且維修工作勞動強度大，每年僅此項修理費都達數(shù)萬元之多。因停工維修造成的工程損失更是難以估量，因此成了設(shè)備管理的一大難題。在總結(jié)研究以往維修經(jīng)驗的基礎(chǔ)上我們主要從潤滑、密封和軸承材料三方面進行改進，收到了一定效果。目前正在做進一步的研究和探討。
　　二、磨損原因分析
　　在機械設(shè)備中因磨損造成的損失是驚人的，據(jù)統(tǒng)計，60%以上零部件失效是由磨損造成的。首先，從摩擦學(xué)方面分析，在相互作用的摩擦副之間有潤滑劑存在時，往往有一層油膜，其厚度由潤滑劑的粘度、摩擦副之間的載荷和相對速度等條件決定。粘度高、相對速度大，載荷小的摩擦副所形成的油膜厚度大。當油膜厚度大于表面粗糙度的Z大高度時，則兩表面不直接接觸，產(chǎn)生的摩擦為潤滑油分子間內(nèi)摩擦，摩擦系數(shù)很小，能有效降低磨損。如果油膜厚度小于粗糙度Z大高度，即使將摩擦副完全浸沒在潤滑油里磨損也會很嚴重。挖泥船在挖泥作業(yè)時經(jīng)常會遇到巖石或堅硬底質(zhì)等惡劣工況，此時下導(dǎo)輪銅質(zhì)軸瓦要承受巨大的壓力和沖擊載荷作用，有時會產(chǎn)生塑性形變，使軸瓦間隙變大，潤滑油較難形成具有一定厚度的油膜（下導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速低于1.5m/s），使摩擦介于邊界摩擦，更加快了軸瓦磨損。其次，從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面分析，原銅瓦在承載面開設(shè)“米”字形油槽，降低了承載面油膜的承載能力，潤滑效果降低，磨損加劇；水下施工底質(zhì)惡劣，巖盤、孤石、泥砂等對傳統(tǒng)密封破壞嚴重。原設(shè)計徑向組合密封等常用結(jié)構(gòu)很難防止因挖泥時壓力、沖擊負荷大和泥砂多等原因?qū)γ芊庠斐傻膿p壞，外界泥沙大量進入造成嚴重的磨粒磨損，縮短軸承使用壽命。
　　三、措施
　　1、合理選擇軸承材料及潤滑形式
　　賽龍軸承是加拿大湯姆森—戈登公司為船舶應(yīng)用研制的產(chǎn)品。賽龍材料是由三次元交叉結(jié)晶熱凝性樹脂制造而成的均質(zhì)聚合物，屬于非金屬高分子化合材料。實船應(yīng)用及實驗資料證明，其性能超越于傳統(tǒng)的軸承材料，包括銅、巴氏合金、尼克、鐵弗龍、電木、鐵梨木、氨基聚合物等。賽龍具有出色的抗磨損性，在水介質(zhì)磨損實驗中，賽龍磨損量約是橡膠的1/2，銅的1/100；有自恢復(fù)的彈性，能承受高壓和沖擊載荷，可以抵抗對于一般金屬軸承材料來說會導(dǎo)致永久變形或破裂的沖擊載荷。黑色賽龍的楊氏彈性模量為490Mpa，白色賽龍為440Mpa，大約是青銅的21倍；賽龍軸承承載能力強，在速度很低的場合可承受重載；自潤滑性能好；密度低、重量輕、有良好的機械加工性；材料無毒性，不會產(chǎn)生公害；成本與銅瓦相當。
不同等級賽龍軸承的比較：
　　（1）標準XL型黑色賽龍軸承，具有較高抗磨性，摩擦系數(shù)較小，應(yīng)用Z廣泛。
　?。?）SXL型白色賽龍軸承，自潤滑性能好。抗磨損性與黑色賽龍相當，主要用于不宜潤滑或得不到潤滑的重載軸承上。
　?。?）合成型賽龍軸承是賽龍中Z耐磨的等級。在污濁、含沙和雜質(zhì)量大的環(huán)境下有良好的耐磨性能，是專門為極度污濁的環(huán)境而設(shè)計的。在充滿淤泥的萊茵河、密西西比河上工作的拖輪以及世界上Z大的挖泥船機頭上均得到了應(yīng)用，實踐證明了該軸承的優(yōu)越價值。
　?。?）堅實型軸承，是賽龍家族新成員，其特點是長度與直徑之比為2﹕1，兼具SXL級別的低摩擦特性。
　　相關(guān)非金屬水潤滑軸承材料的體積磨損量實驗資料如圖1所示。實驗條件為：磨損環(huán)境：6%砂、6%粘土、2%皂、86%水，流量約為2L/min，線速度1m/s，壓力0.7Mpa，軸承內(nèi)徑25mm，長度38mm，軸材為中碳鋼。

　　黑色賽龍在水、油潤滑下的摩擦系數(shù)值：

 
　　另外，在水潤滑下當線速度達到1.5m/s時合成型賽龍摩擦系數(shù)低于0.025。綜合比較，軸承材料選用合成型賽龍軸承替代原銅質(zhì)軸承作為下導(dǎo)輪軸承。雖然油脂潤滑摩擦系數(shù)低，但不利于散熱，故采用壓力水循環(huán)潤滑形式，既利于散熱而且較環(huán)保。當挖泥船疏浚挖泥時，船周圍江水較渾濁，含沙量大不宜直接取舷外水進入潤滑系統(tǒng)，建議經(jīng)過二級沉淀水箱過濾后再進入軸承內(nèi)潤滑。
　　2、根據(jù)對實際工況和軸承材料性能的分析，改進軸承和密封裝置結(jié)構(gòu)。
　　改進后的密封裝置結(jié)構(gòu)合理緊湊（斗橋軸承座側(cè)面與導(dǎo)輪側(cè)面可用距離僅120mm），是利用軸向密封來實現(xiàn)徑向密封的目的。結(jié)構(gòu)原理是采用動環(huán)、靜環(huán)和密封端蓋三部分組成。靜環(huán)固定在軸上，靜環(huán)與動環(huán)（動環(huán)為經(jīng)平面磨削加工的軸向密封環(huán)）之間均布6個彈簧，動環(huán)在彈簧推動下沿導(dǎo)向鍵軸向滑動并壓緊在端蓋巨形密封圈上，實現(xiàn)軸向密封，同時動環(huán)與軸之間采用“YXd”型密封圈按照動密封設(shè)計，達到既能移動又能實現(xiàn)對軸的徑向密封效果。這樣的密封結(jié)構(gòu)即使因正常磨損，壓力、沖擊荷載等造成軸下沉，動環(huán)也會隨軸平移，但仍與端蓋巨形膠圈保持良好的密封效果，而不會進入泥砂。從而實現(xiàn)了密封作用的補償性和連續(xù)性。
　　新軸承設(shè)計時在承載面的120°包角范圍內(nèi)不設(shè)水槽，更能產(chǎn)生較好的水力膜，提高了水膜的承載能力，其結(jié)果具有低摩擦性的好處。
　　3、其它措施
　　在設(shè)計中合理選擇配合公差及表面粗糙度；在機械加工中注意加工精度；安裝過程中保持工件清潔，端面軸向密封膠圈之間填塞潤滑脂時注意油質(zhì)潔凈，避免混入硬質(zhì)顆粒等雜質(zhì)，對摩擦面造成不必要的“微切割”；先磨合后再加載運行；施工中對操作管理人員的要求：①保持潤滑水清潔，充足。②每次使用前均先供水再運轉(zhuǎn)再加負荷。③勤觀察，經(jīng)常提起斗橋檢查，避免下導(dǎo)輪被江底水下廢棄物如鋼絲繩、漁網(wǎng)等纏繞，破壞密封。纏繞后及時清除。
　　四、結(jié)束語
　　實踐證明，在機械設(shè)計中提高對摩擦磨損和潤滑問題的重視，合理選材、合理設(shè)計把潤滑和強度問題同等對待；在使用中加強管理，由此帶來的效益將遠遠超過提高的成本。
　　參考文獻
　　[1]于全虎　賽龍軸承在船舶上的應(yīng)用[J]江蘇船舶2001
　　[2]吳仁榮　水潤滑軸承在船用泵中的應(yīng)用[J]流體工程1989
　　[3]王優(yōu)強　水潤滑賽龍軸承綜述  機械工程師2002
　　[4]溫詩鑄　摩擦學(xué)原理[M]北京清華大學(xué)出版社1990
　　[5]山東萬通船舶機械有限公司  船舶配套產(chǎn)品
 
　　作者簡介：王守元（1971-），男，高級工程師，現(xiàn)主要從事船舶設(shè)備維修、改造方面的技術(shù)工作。