大型径向滑动轴颈轴承瓦刮研的研究

资源类型:pdf 资源大小:343.00KB 文档分类:工业技术 上传者:匡菊招

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【作者】 黄旻舒  李桂芳 

【关键词】径向轴颈轴承 刮研 流体力学 摩擦学 

【出版日期】2005-01-15

【摘要】用流体力学及摩擦学理论分析大型径向滑动轴颈轴承瓦刮研方法, 针对现行施工与验收存在的问题进行研究, 给出了简易的计算公式和参数。实验证明施加一定的法向载荷和适当加大轴瓦侧间隙及减小接触包角可以改善润滑条件和节省施工时间。

【刊名】安装

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中图分类号: TH133 31, TG935   文献标识码: B   文章编号: 1002-3607(2005) 01-0008-04  大型径向滑动轴颈轴承广泛应用于大型的回转机械中, 如大型球磨机、回转窑、冷却机等。对于这类负荷大、转速较低的轴承来说,建立安全可靠的润滑油膜, 是近年来研究的重点。摩擦学认为: 两个相接触并相对运动的物体, 构成了摩擦副; 两个接触面之间夹杂的物质 (如润滑油或磨粒 ) 称中间物质; 摩擦副周围空间存在的物质 (如空气或其它介质 ) 则称为环境介质; 摩擦副、中间物质和环境介质构成了摩擦系统。产生磨损的基本原因是受摩擦负荷作用的摩擦表面与摩擦系统中其它要素之间发生了相互作用。这些要素主要包括摩擦副的运动方式、距离、速度、时间、载荷、温度以及摩擦面的物理、化学性质。而相应地, 磨损可分为粘着磨损、腐蚀磨损、磨粒磨损以及微动磨损。所以研究径向滑动轴颈轴承摩擦副就必须系统研究, 而对应于安装工程, 我们重点研究的是轴瓦刮研工作。因此, 笔者针对现行的轴瓦刮研问题进行分析。1 问题的提出在安装工程中, 轴瓦刮研是整个机械安装工程的关键工序, 许多机械因轴瓦刮研问题而产生了重大的质量或安全事故。这主要是没有重点研究轴瓦刮研的规律。另外, 在现行的施工及验收规范 [1, 2]中, 也存在下列不足:①无刮研法向载荷的要求, 刮研后的验收检查是将轴瓦反扣在轴颈上摇动, 查验瓦面着色摩擦点数。而在瓦背上施加多大的法向力, 没有统一的计算公式和参考标准。②没有结合具体工作参数, 如轴颈转速、润滑油粘度、工作载荷以及轴瓦和轴颈材料等数据进行。这样造成轴瓦刮研侧向间隙以及轴瓦其它刮研参数要求的片面性。③无表面形貌要求。表面形貌是指刮研后保留下的几何性质, 包括表面粗糙度、波纹度、形状误差、加工纹理及方向, 这 4个方面对轴瓦润滑和磨损有着重要的影响 [3]。现有的施工及验收规范 [1, 2]仅以刮研后轴瓦单位面积上的接触点数判断, 显然是不全面的, 这也是我国这类轴承工作寿命不长的重要因素之一。④现行的施工及验收规范给出的接触包角是经验参数, 一般只给出了一定的范围, 如球磨机类为 70°~90°。没有结合具体的轴瓦几何尺寸及材质、载荷等参数, 这样势必有一定的片面性。2 基础理论分析2 1 润滑状态的分析2 1 1 摩擦学将大型径向轴颈轴承的润滑状态, 根据其润滑油膜厚, 分为边界润滑、混合润滑、弹流润滑、流体动力润滑等 4种 [3, 4] (图 1)。边界润滑油膜厚为 0 005~0 01μm; 弹流润滑油膜厚为 0 1 ~1 0μm; 流体动力润滑油膜厚通常在100μm以上 [3, 4]。图 1 摩擦表面润滑状态示意a 完全弹流动力润滑; b 部分弹流润滑;c 混合润滑; d 边界润滑2 1 2 当两个表面接触时, 实际接触状态为离散接触 [5]。而横向加工纹理因其“油泵作用”可提高润滑油膜承载能力和润滑油体积流量, 增加润滑油膜厚度, 减少两个摩擦面粗糙峰的接触频率 [6]。摩擦学以膜厚比λ来衡量两摩擦之间的润滑油膜厚度。λ=hm /Rq (1)式中: hm———平均油膜厚度; Rq———综合粗糙度,Rq= R2q1 +R2q2; Rq1、Rq2———两摩擦表面轮廓均方根偏差。试验表明 [ 7 ], 油膜对摩擦表面损伤的防护作用取决于油膜在工作过程中的连续程度 (图2 )。图 2 膜厚比和油膜连续程度图2 2 润滑效应分析从摩擦副中两个粗糙表面的雷诺方程 (两摩擦面中一个为运动件, 一个为固定件)[5]:xh312η·Px+zh312η+Pz=U2·h0x+U2·(δ1 +δ2 )x+h0t(2)式中: h———润滑膜厚; h0———两粗糙表面名义膜厚; δ1、δ2———沿坐标轴Y向的两表面粗糙度; U———轴颈X向运动速度; η———润滑油动力粘度系数; t———时间; x、z———轴向坐标值。可以看出, 润滑效应分为三种:U2h0x项为楔形效应,U2(δ1 +δ2 )x项为粗糙度效应,h0t项为挤压效应。楔形效应提供摩擦副在正常运转时有足够的压力以形成完全弹流动力润滑; 粗糙度效应可以提供在启动时有残存润滑油, 使形成混合润滑; 挤压效应是在接触包角内轴颈与轴承之间的载荷挤压效应。在最佳接触状态下, 以上 3种效应能达到最佳组合状态, 但工程精确求解有较大难度。另外, 工程中的轴瓦形状与理想的计算模型有些不同, 工程中的轴瓦内接触面不是圆柱形,其与轴颈有一段曲率相同 (即接触包角区 ), 目的是使停机时轴瓦与轴颈有足够的接触面积, 使轴瓦与轴颈的强度符合要求。所以, 刮研的主要目的是保证在轴瓦与轴颈接触包角区接触呈点状均匀分布外 (提供存油 ), 在楔形区域能平滑过渡,以保证在运行时形成足够的楔形效应 (提供流体压力)。2 3 油膜反力的分析油膜反力方程 [5]F=ηUL34C2ε(1-ε2 )2 [π2 (1-ε2 ) +16ε2 ]12 (3)   (在稳定运转条件下, F=W, U=πdns, C=Rb-Rj, ε=1-h/C)式中: F———油膜反力; W———轴承载荷;Rb———轴承半径; Rj———轴颈半径; ε———偏心率; d———轴颈直径; ns———轴颈转速; L———轴承宽度; η———润滑油动力粘度系数; h———润滑膜厚F是与η、U、L、C及ε有关的函数, 特别是表现为偏心率ε的高度非线性函数。而现行施工及验收规范 [1, 2]没有考虑油膜反力F的复杂性。因此, 须针对具体情况全面分析计算。3 改进方法及计算3 1 计算法向载荷系数在不同的法向载荷下, 粗糙峰因弹性和塑性变形会造成接触点数和接触面的变化 (表 1)[3]。表 1 接触状态与法向载荷关系法向载荷N实际接触面积Aw /mm2 Aw /A接触点数接触点的平均半径 /mm备  注5000 4 99 1 /400 36 0 211000 1 04 1 /2000 23 0 12200 0 23 1 /10000 9 0 0950 0 057 1 /40000 5 0 0620 0 024 1 /100000 3 0 05材质: 轴-钢 45;瓦-ZQPb30尺寸:  50mm×40mm轴Rα1 =0 32μm瓦Rα2 =5 0μm润滑剂: 30 号机油 +红丹  实际接触状态可以用式 (4) 表达:F=σ b×Aw (4)  在实际工况下, 粗糙峰附近所建立的油膜局部压力随载荷增加而增加, 因局部压力产生的表面变形足以使粗糙峰展平而不发生接触 [4]。所以,我们的计算是偏于安全的。另有 [7]:F/A≤ [P] (5)式中: [P] ———许用挤压应力查得: ZQPb30的 [P] = 25MPa[8], 则试件许用承载最大法向载荷为Fmax= 50000N, 而规范 [1, 2]要求接触点数为 1点 /cm2, 相当试件在F=1000N时的情况, 则: 法向载荷系数Kf=Fmax/F=50 (6)  为更安全起见, 取法向载荷系数Kf= 80 ~100; 引入不同材料的许用挤压应力 [P] 值, 则:3[P]≤Kf≤ 4[P] (7)3 2 确定轴瓦与轴颈合理的配合间隙从式 (3) 知:ε=e/C=1-hmin/C (8)C=ψd/2 =hmin/(1-ε) (9)  从式 ( 9 ) 知: 若C一定, hmin越大则ε越小; 若ε一定, Ψ与hmin成正比关系。所以, 相对提高Ψ, 可以提高hmin值。但是, 它们的关系复杂。为了将最小油膜厚度hmin控制在合理水平,以实现轴瓦与轴颈间的动力油膜承载, ε值必须适当。实验和实践证明: 对于大型径向轴颈轴承, ε值取为 0 90~0 92之间; 而流体动力润滑要求油膜厚约为 0 1mm[4]。由此可计算出相对间隙Ψ。Ψ =2hmin/d(1-ε)≈ 0 2/d(1-ε) (10)式中: Ψ———轴瓦刮研的相对间隙; hmin———最小油膜厚度mm; d———轴颈直径mm; ε———偏心率3 3 表面形貌要求3 3 1 表面粗糙度的要求为了确保轴瓦与轴颈这对摩擦副的摩擦面之间形成良好的润滑油膜, 一般取λ≥10[9], hm 一般取 0 1mm[4]。根据式 (1) 得Rq≤10μm, 而Rq≈ (1 1 ~1 5 ) Rα, 轴颈Rα1 =0 2 ~0 4μm, 则求出轴瓦表面粗糙度Rα2≤6 3μm, 但不是说, 表面粗糙度值越小越好 [3]。考虑到润滑油粘度、温度变化及低速运行时摩擦副不处于良好的流体动力润滑状态等, 可将轴瓦表面粗糙度控制在Rα2 =3 2~4 5μm。对于手工刮研, 这一数值要求并不高, 只需注意用刀力度及用刀角度。可将轴瓦刮研分成三步进行:(1) 粗刮时刮刀具有正前角, 一次刮研量在20 0μm~40 0μm左右, 而刮痕长度控制在 10mm左右, 且要求与瓦轴心线向成±30°左右交叉刮削,速度需较快但刮痕不能重复;(2) 细刮时, 刮刀成较小的负前角, 一次刮研量在 10 0 ~ 20 0μm左右, 刮痕长度在 5mm左右;(3) 精刮时, 刮刀具有较大的负前角, 一次刮研量在 5 0μm左右。3 3 2 表面纹理要求轴瓦表面的加工纹理 (即刀具刮痕的方向 )为横向时可提高承载能力和润滑油膜厚度, 特别是能改善磨合期的润滑情况, 可防止因润滑油供应不足而烧瓦。因此, 要求刮研时一定要形成横向刮痕, 即着色亮点纹理方向与润滑油流动方向21 第 1期             大型径向滑动轴颈轴承瓦刮研的研究(垂直于轴心线) 垂直, 以便增加润滑效果, 减少磨损强度。这一点在规范中没有要求, 且很少有人注意, 这不能不说是一种缺憾。3 4 合理计算接触包角笔者根据多年施工经验以及实验结果, 结合式 (2) 及式 (5), 总结出一个不太精确的计算公式在此以求抛砖引玉。计算值和规范经验值比较相对要小, 但实验证明此式能满足工程需要。接触包角α≥2αrcsinkWmaxLd [P](10)式中: Wmax———工作载荷; L———轴瓦宽; d———轴表 2 对序 号项  目对 比 组实 验 组1 法向载荷 9800N2 接触包角 75° 55°3 侧向间隙 0 8mm 1 8mm4 表面粗糙度Rα 1 6 1 65 接触点数 6~10点 8~16点6 刮研时间 20h 12h7 试车温度 29℃~58℃ 29℃~49℃5 结 论(1) 轴瓦刮研时在瓦背上需施加与工作载荷成Kf比例的法向载荷, 有利于轴瓦刮研。(2) 适当加大瓦口侧间隙有利于润滑油膜的形成和润滑油的流动, 因而可降低轴承内的温度。(3) 大型径向轴颈轴承刮研时, 表面粗糙度要求并不是很高

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