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自潤滑軸承在煉鐵廠托輥中應用

  對于煉鐵廠,帶式運輸機的工作效率是直接影響到鋼鐵產品的質量、產量和冶煉過程流程的關鍵技術環節。而托輥的支承特性及使用壽命對帶式輸送機的性能參數(運距、運量、成本和噪聲等)和工作可靠性影響很大。長期以來,煉鐵廠帶式運輸機的托輥采用支承為滾動軸承+潤滑脂;由于煉鐵廠皮帶運輸機工作在露天和環境較惡劣,較大的粉塵和礦渣溫度的工作環境使滾動軸承容易產生阻塞或潤滑脂干澀而失效。失效的軸承限制了托輥的自由旋轉而使皮帶與托輥表面產生相對滑動;這不僅加速了托輥的磨損,而且增加了運輸機帶與托輥間的運動阻力、運輸機的轉動噪聲和運輸帶的損壞[1]。若以托輥支承失效為標準衡量目前煉鐵廠的托輥壽命,采用滾動軸承+潤滑脂支承的托輥使用壽命約為7200小時(約為10個月)。此外,由于煉鐵廠帶式運輸機多為長距離和高空運輸,因此,實現其運行過程維護具有很大的難度和安全性隱患;由此,解決其托輥的長壽命和免維護問題,不僅能節約大量的潤滑脂費用,而且為實現冶煉原料運輸過程的安全、高效和靜音的綠色物流作業提供技術保證。
  1 托輥工況參數分析
  煉鐵廠的運輸機的運料輸送帶由三托輥組成柔性料槽(如圖1所示)。運輸機在工作時,使托輥產生旋轉運動的主驅動力來自運輸帶在荷重力作用下的表面摩擦切向力;因此,托輥的運動特征決定了其布局和結構。基于煉鐵廠運料流量測算,運輸鏈分布在托輥上平均載荷P=1000N;托輥運行的線速度V=0.63m/s;使用溫度在100℃左右。在該工況下,托輥組中的支承處于存在不同受力狀態下。對于水平托輥,其支承所承受的徑向載荷PJ=P/2=500N,且易受到灰塵和散落的礦碴的侵入。對于傾斜托輥,其下位支承的工作條件作為惡劣,除了受到運輸機產生的灰塵和散落的礦碴的侵入外,還受到徑向和軸向的復合載荷。其中,軸向載荷:PZ=PJsinα(α——托輥的傾斜角,一般取其30。)。顯然,在該工況下,托輥的支承的選擇受到如下兩方面的制約:


 

  (1)由于工作溫度和線速度摩擦引起的摩擦熱制約了高分子材料在該支承中的應用。
  (2)傾斜托輥下支承的復合載荷限制了普通徑向滾動軸承的應用,而托輥的結構、不容調節和成本也制約了推力組合軸承的應用。
  (3)高空運輸及灰塵和散落的礦碴的侵入制約了對軸承潤滑的維護。基于此,該免維護托輥采用了武漢理工大學研制的高性能自潤滑軸承。為了考察該軸承的摩擦學性能和煉鐵廠工況的適應性,對軸承進行了實驗室模擬試驗和對托輥進行了現場試驗。
  2 自潤滑軸承及其摩擦學性能研究
  作為自潤滑軸承,軸承材料的PV值也顯得非常重要。對于某一材料而言,PV值反映出該材料在摩擦過程中對溫度和強度的適用性。基于以上的提高工況分析和采用滑動軸承時托輥的設計支承面積;對于水平托輥,自潤滑材料的摩擦學性能應滿足的PV值為:PV=(PJ/軸承支承面積)×V=0.59MPa•m/s。對于傾斜托輥的下支承,其自潤滑材料的摩擦學性能應同時滿足徑向和軸向載荷下的PV值:即在徑向載荷下PV=(PJ cosα/軸承支承面積×V=0.51MPa•m/s;在軸向載荷下PV=(PJ sinα/軸承支承面積)×V=0.295MPa•m/s。這表明:當該托輥的運行速度V=0.63m/s時,水平托輥軸承所承受的最大徑向載荷接近1MPa;而傾斜托輥的下支承除了受軸向載荷外,其所承受的最大徑向載荷也有0.8MPa。


  參照資料[2]。可知:該PV范圍已接近熱塑性材料、PTEE材料和碳、石墨復合材料的PV極限值。如果考慮在工程中的動力不平衡和溫度的影響,其實際使用PV值要比理論計算值高得多;顯然,該托輥用的自潤滑材料的摩擦學性能要比以上的理論計算值高得多。基于此,該托輥選用了由武漢理工大學開發了新型鐵基自潤滑材料,并制備出自潤滑滑動軸承(如圖2所示)。圖3是在滑動軸承在軸承試驗機上,在試驗溫度T=100℃,速度V=0.06m/s和載荷P=500N條件下,對該軸承進行了長時間的實驗室摩擦試驗的摩擦系數在線測量結果;由結果可以看出:該軸承不僅具有非常低的摩擦系數(f≤0.10),而且摩擦過程平穩。圖4為磨損試驗后自潤滑材料表面的微觀磨損形貌,由圖可以看出:磨損表面的磨痕非常微細表面被一層潤滑膜覆蓋,這中磨損形貌反映出該材料具有好的自潤滑性能。在軸承試驗機上對該軸承測量的PV極限值為6.53MPa• m/s。顯然,該軸承的PV極限值已經超過了托輥工況要求的范圍而使其可較好地應用在冶煉帶式運輸機的托輥中。


  3 自潤滑軸承托輥的現場試驗與分析
  3.1軸承托輥的現場試驗
  為了考核自潤滑軸承托輥的壽命和性能,將該新型托輥安裝在煉鐵廠三爐返礦五1m帶式運輸機爬坡拐彎處進行壽命考核;在連續運行20個月(大約14500小時)后,對現場考核結果進行評價。圖5為現場考核試驗后白潤滑軸承的拆卸情況,圖6為該軸承在磨損20個月后的表面特征,由圖可以看出:軸承表面光滑且無明顯的磨損痕跡。表為現場試驗后托輥各零件的磨損量測量結果。


  3.2試驗結果分析
  現場試驗結果的上表反映了該托輥的壽命情況,由表可以看出:
  (1)軸承外套內徑的磨損量為0.08mm,軸承內套外徑的磨損量為0.04mm;兩者的磨損和為0.12mm。托輥軸承內孔按E9公差等級設計,托輥軸承外徑孔按h7公差等級設計;兩者的極限公差帶為0.122mm;因此,該軸承的磨損仍然在軸承設計公差范圍內,可視為零磨損。
  (2)基于托輥軸承應用環境,托輥軸承執行國家滑動軸承標準H11級;軸承外套內徑H11公差推薦值為[3];軸承內套外徑C11公差推薦值為;兩者的極限公差帶為0.44mm。而該軸承目前的實際磨損量為0.12mm,僅為許用磨損量的27%;因此,可以預測該軸承的使用壽命為5年。
  (3)由于自潤滑軸承消除了以往托輥在運行過程中由于軸承阻塞或潤滑脂干澀而失效引起的皮帶與托輥表面產生相對滑動的現象。參照圖1的試驗托輥表面磨損現象可看出:在一組托輥中,三個托輥的表面磨損都非常均勻和光滑,這表明:該軸承在使用過程中具有良好的自潤滑性能,這種情況可使輥皮外徑磨損均勻;從而減緩了托輥的單邊磨損,延長了托輥的整體壽命。在該現場試驗中,托輥輥皮采用厚度為3mm,經過預處理的無縫鋼管鋼管;在磨損試驗周期為20個月后,托輥輥皮的單邊磨損量僅為0.4mm,按托輥輥皮磨損厚度1/2報廢計算,該托輥輥皮的使用壽命也可以達到5年。
  (4)基于以上自潤滑軸承和托輥輥皮的壽命分析表明:該托輥的設計可以使其軸承與輥皮達到同步壽命;這種部件中各零件壽命的同步設計,不僅大幅度地降低了工人在更換托輥時的勞動強度和降低運行成本,而且也為摩擦學設計在冶煉設備中的應用提供了借鑒。
  4 結論
  (1)試驗結果表明:煉鐵廠托輥軸承用自潤滑材料的自潤滑性能是通過表面膜來實現,因此,這種潤滑膜的自生成特征,可使其滿足托輥工況的長壽命自潤滑要求。在經過20個月現場應用后,其磨損

  (2)現場試驗結果表明:自潤滑軸承的應用不僅提高了托輥支承性能,而且使托輥輥皮的磨損均勻,從而減緩了托輥的單邊磨損;這對于煉鐵廠皮帶運輸機而言,托輥輥皮的均勻磨損不僅提高了托輥的壽命,而且提高了運輸機的工作可靠性;在本試驗條件下,托輥的輥皮可達到5年的壽命水平。
  (3)通過自潤滑軸承的應用,可以實現托輥各零件同步壽命的目的,這為摩擦學設計在冶煉廠的進一步應用提供了有價值的依據。

 

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