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鏈斗式挖泥船下導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）
（黑龍江省航道局）
摘 要：分析了下導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。但是該船挖泥系統的下導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。這不僅影響生產而且維修工作勞動強度大，每年僅此項修理費都達數萬元之多。因停工維修造成的工程損失更是難以估量，因此成了設備管理的一大難題。在總結研究以往維修經驗的基礎上我們主要從潤滑、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
在機械設備中因磨損造成的損失是驚人的，據統計，60%以上零部件失效是由磨損造成的。首先，從摩擦學方面分析，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，產生的摩擦為潤滑油分子間內摩擦，摩擦系數很小，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。挖泥船在挖泥作業時經常會遇到巖石或堅硬底質等惡劣工況，此時下導輪銅質軸瓦要承受巨大的壓力和沖擊載荷作用，有時會產生塑性形變，使軸瓦間隙變大，潤滑油較難形成具有一定厚度的油膜（下導輪轉速低于1.5m/s），使摩擦介于邊界摩擦，更加快了軸瓦磨損。其次，從結構設計方面分析，原銅瓦在承載面開設“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；水下施工底質惡劣，巖盤、孤石、泥砂等對傳統密封破壞嚴重。原設計徑向組合密封等常用結構很難防止因挖泥時壓力、沖擊負荷大和泥砂多等原因對密封造成的損壞，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—戈登公司為船舶應用研制的產品。賽龍材料是由三次元交叉結晶熱凝性樹脂制造而成的均質聚合物，屬于非金屬高分子化合材料。實船應用及實驗資料證明，其性能超越于傳統的軸承材料，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，摩擦系數較小，應用Z廣泛。
（2）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。
（3）合成型賽龍軸承是賽龍中Z耐磨的等級。在污濁、含沙和雜質量大的環境下有良好的耐磨性能，是專門為極度污濁的環境而設計的。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用，實踐證明了該軸承的優越價值。
（4）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，軸承內徑25mm，長度38mm，軸材為中碳鋼。
一、前言
我局現有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。但是該船挖泥系統的下導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。這不僅影響生產而且維修工作勞動強度大，每年僅此項修理費都達數萬元之多。因停工維修造成的工程損失更是難以估量，因此成了設備管理的一大難題。在總結研究以往維修經驗的基礎上我們主要從潤滑、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
在機械設備中因磨損造成的損失是驚人的，據統計，60%以上零部件失效是由磨損造成的。首先，從摩擦學方面分析，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，產生的摩擦為潤滑油分子間內摩擦，摩擦系數很小，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。挖泥船在挖泥作業時經常會遇到巖石或堅硬底質等惡劣工況，此時下導輪銅質軸瓦要承受巨大的壓力和沖擊載荷作用，有時會產生塑性形變，使軸瓦間隙變大，潤滑油較難形成具有一定厚度的油膜（下導輪轉速低于1.5m/s），使摩擦介于邊界摩擦，更加快了軸瓦磨損。其次，從結構設計方面分析，原銅瓦在承載面開設“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；水下施工底質惡劣，巖盤、孤石、泥砂等對傳統密封破壞嚴重。原設計徑向組合密封等常用結構很難防止因挖泥時壓力、沖擊負荷大和泥砂多等原因對密封造成的損壞，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—戈登公司為船舶應用研制的產品。賽龍材料是由三次元交叉結晶熱凝性樹脂制造而成的均質聚合物，屬于非金屬高分子化合材料。實船應用及實驗資料證明，其性能超越于傳統的軸承材料，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，摩擦系數較小，應用Z廣泛。
（2）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。
（3）合成型賽龍軸承是賽龍中Z耐磨的等級。在污濁、含沙和雜質量大的環境下有良好的耐磨性能，是專門為極度污濁的環境而設計的。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用，實踐證明了該軸承的優越價值。
（4）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軸承作為下導輪軸承。雖然油脂潤滑摩擦系數低，但不利于散熱，故采用壓力水循環潤滑形式，既利于散熱而且較環保。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，建議經過二級沉淀水箱過濾后再進入軸承內潤滑。
2、根據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構。
改進后的密封裝置結構合理緊湊（斗橋軸承座側面與導輪側面可用距離僅120mm），是利用軸向密封來實現徑向密封的目的。結構原理是采用動環、靜環和密封端蓋三部分組成。靜環固定在軸上，靜環與動環（動環為經平面磨削加工的軸向密封環）之間均布6個彈簧，動環在彈簧推動下沿導向鍵軸向滑動并壓緊在端蓋巨形密封圈上，實現軸向密封，同時動環與軸之間采用“YXd”型密封圈按照動密封設計，達到既能移動又能實現對軸的徑向密封效果。這樣的密封結構即使因正常磨損，壓力、沖擊荷載等造成軸下沉，動環也會隨軸平移，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。從而實現了密封作用的補償性和連續性。
新軸承設計時在承載面的120°包角范圍內不設水槽，更能產生較好的水力膜，提高了水膜的承載能力，其結果具有低摩擦性的好處。
3、其它措施
在設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潔凈，避免混入硬質顆粒等雜質，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再加負荷。③勤觀察，經常提起斗橋檢查，避免下導輪被江底水下廢棄物如鋼絲繩、漁網等纏繞，破壞密封。纏繞后及時清除。
四、結束語
實踐證明，在機械設計中提高對摩擦磨損和潤滑問題的重視，合理選材、合理設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用[J]江蘇船舶2001
[2]吳仁榮 水潤滑軸承在船用泵中的應用[J]流體工程1989
[3]王優強 水潤滑賽龍軸承綜述 機械工程師2002
[4]溫詩鑄 摩擦學原理[M]北京清華大學出版社1990
[5]山東萬通船舶機械有限公司 船舶配套產品
作者簡介：王守元（1971-），男，高級工程師，現主要從事船舶設備維修、改造方面的技術工作。
2、根據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構。
改進后的密封裝置結構合理緊湊（斗橋軸承座側面與導輪側面可用距離僅120mm），是利用軸向密封來實現徑向密封的目的。結構原理是采用動環、靜環和密封端蓋三部分組成。靜環固定在軸上，靜環與動環（動環為經平面磨削加工的軸向密封環）之間均布6個彈簧，動環在彈簧推動下沿導向鍵軸向滑動并壓緊在端蓋巨形密封圈上，實現軸向密封，同時動環與軸之間采用“YXd”型密封圈按照動密封設計，達到既能移動又能實現對軸的徑向密封效果。這樣的密封結構即使因正常磨損，壓力、沖擊荷載等造成軸下沉，動環也會隨軸平移，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。從而實現了密封作用的補償性和連續性。
新軸承設計時在承載面的120°包角范圍內不設水槽，更能產生較好的水力膜，提高了水膜的承載能力，其結果具有低摩擦性的好處。
3、其它措施
在設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潔凈，避免混入硬質顆粒等雜質，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再加負荷。③勤觀察，經常提起斗橋檢查，避免下導輪被江底水下廢棄物如鋼絲繩、漁網等纏繞，破壞密封。纏繞后及時清除。
四、結束語
實踐證明，在機械設計中提高對摩擦磨損和潤滑問題的重視，合理選材、合理設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用[J]江蘇船舶2001
[2]吳仁榮 水潤滑軸承在船用泵中的應用[J]流體工程1989
[3]王優強 水潤滑賽龍軸承綜述 機械工程師2002
[4]溫詩鑄 摩擦學原理[M]北京清華大學出版社1990
[5]山東萬通船舶機械有限公司 船舶配套產品
作者簡介：王守元（1971-），男，高級工程師，現主要從事船舶設備維修、改造方面的技術工作。
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