水潤滑UHMW-PE軸承在特殊條件下的應用研究
2012-02-13作者：楊致政1，何艷1，魏秦1，張明洪1，王傳斌2
（1 西南石油學院；2 濟南鋼鐵集團公司）
（1 西南石油學院；2 濟南鋼鐵集團公司）
摘 要：UHMW-PE是一種線性結構的工程塑料，具有優異的物理性能和機械性能，可用作水下潤滑軸承。通過有限元法驗證了應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，論證了應用的可行性。實踐證明，UHMW-PE軸承代替原金屬軸承使用壽命由1～2個月提高到6個月以上，改造24組輥道，年節省直接費用達30萬元。
關鍵詞：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動輥道，由于輥道長期處于高溫環境下工作，再加上潤滑系統的故障，輥道被動端軸承頻繁損壞，既增加了成本，又影響了生產。本研究結合水潤滑理論，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軸承替代傳統的金屬軸承。軸承采取半剖形式利于安裝，并在軸承座外側設置壓力為0.1～0.2MPa的潤滑水（兼起冷卻作用）。
關鍵詞：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動輥道，由于輥道長期處于高溫環境下工作，再加上潤滑系統的故障，輥道被動端軸承頻繁損壞，既增加了成本，又影響了生產。本研究結合水潤滑理論，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軸承替代傳統的金屬軸承。軸承采取半剖形式利于安裝，并在軸承座外側設置壓力為0.1～0.2MPa的潤滑水（兼起冷卻作用）。
.jpg)
圖1 改造原理
1.上半軸承座；2.上半UHMW-PE軸承；3.運輸輥軸徑；4.螺栓；5.下半軸承座；6.下半UHMW-PE軸承
1.上半軸承座；2.上半UHMW-PE軸承；3.運輸輥軸徑；4.螺栓；5.下半軸承座；6.下半UHMW-PE軸承
2、UHMW-PE軸承
UHMW-PE是一種線性結構的工程塑料，具有優異的物理性能和機械性能，現已成為水下潤滑軸承中應用較多的非金屬材料之一。但隨著UHMW-PE軸承應用領域的不斷擴大，逐漸發現其抗磨粒磨損能力較差，這一缺陷限制了它在一些領域的應用。目前，這種軸承的潤滑理論國內外都還沒有形成，有人曾在MPV-200型摩擦磨損實驗機上對UHMW-PE及其合金軸承在水潤滑條件下的摩擦磨損性能進行了研究，試樣尺寸為φ35mm×80mm,潤滑介質為含沙量0.3%的自來水。認為UHMW-PE及其合金軸承的摩擦因數隨載荷的增大而減小，隨速度的增大而增大，隨運行時間的增長而降低，Z后趨于穩定；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，隨運行時間的增長而降低，Z后趨于穩定值。
3、有限元分析
3.1建立計算模型
幾點假設：由于零件的工作環境溫度高，取運輸輥軸徑與軸承間摩擦系數為0.15（在此假設下可算得施加于軸承上的均布壓應力為0.346635MPa，軸承接觸表面所受的摩擦應力為0.041596MPa）；假設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）。由于是對稱結構，考慮其受載情況，取其1/2建立一個平面結構計算模型，對原結構進行簡化處理，采用每節點2個自由度的8節點二維實體單元PLANE42，利用ANSYS軟件對其進行有限元分析。查有關資料得到材料的有關參數為：彈性模數3000MPa，泊松比取0.25，材料抗拉強度σl為48MPa，抗壓強度σy為172 MPa，抗彎強度σw為62MPa，圖2是模型劃分網格后的示意圖。圖中L為軌線路徑。
UHMW-PE是一種線性結構的工程塑料，具有優異的物理性能和機械性能，現已成為水下潤滑軸承中應用較多的非金屬材料之一。但隨著UHMW-PE軸承應用領域的不斷擴大，逐漸發現其抗磨粒磨損能力較差，這一缺陷限制了它在一些領域的應用。目前，這種軸承的潤滑理論國內外都還沒有形成，有人曾在MPV-200型摩擦磨損實驗機上對UHMW-PE及其合金軸承在水潤滑條件下的摩擦磨損性能進行了研究，試樣尺寸為φ35mm×80mm,潤滑介質為含沙量0.3%的自來水。認為UHMW-PE及其合金軸承的摩擦因數隨載荷的增大而減小，隨速度的增大而增大，隨運行時間的增長而降低，Z后趨于穩定；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，隨運行時間的增長而降低，Z后趨于穩定值。
3、有限元分析
3.1建立計算模型
幾點假設：由于零件的工作環境溫度高，取運輸輥軸徑與軸承間摩擦系數為0.15（在此假設下可算得施加于軸承上的均布壓應力為0.346635MPa，軸承接觸表面所受的摩擦應力為0.041596MPa）；假設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）。由于是對稱結構，考慮其受載情況，取其1/2建立一個平面結構計算模型，對原結構進行簡化處理，采用每節點2個自由度的8節點二維實體單元PLANE42，利用ANSYS軟件對其進行有限元分析。查有關資料得到材料的有關參數為：彈性模數3000MPa，泊松比取0.25，材料抗拉強度σl為48MPa，抗壓強度σy為172 MPa，抗彎強度σw為62MPa，圖2是模型劃分網格后的示意圖。圖中L為軌線路徑。
圖2 模型劃分網格示意圖
3.2分析結果
經過求解后，可以得到軸承內部各點的應力等值線圖和沿指定方向（路徑為圖2所示的L線段）的應力曲線，見圖3～6。
經過求解后，可以得到軸承內部各點的應力等值線圖和沿指定方向（路徑為圖2所示的L線段）的應力曲線，見圖3～6。
.jpg)
圖3X向應力等值線
圖4Y向應力等值線
圖5X向應力曲線1（1沿L向1）
圖6Y向應力曲線1（1沿L向1）
在設定計算工況下，軸承的計算應力：Z大抗壓強度σymax-x為0.326497 MPa (X向)，σymax-y為0.321007 MPa(Y向)；Z大抗拉強度σlmax-x為0.113441MPa (X向)，σlmax-y為0.009330MPa(Y向)，其計算強度均遠遠小于其許用強度，滿足設計的要求。
4、軸承磨損分析
4.1軸承磨損的實際應用數值分析
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行監測，每月采取抽樣檢測的手段得到一系列試驗數據，見表1。
4.1軸承磨損的實際應用數值分析
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行監測，每月采取抽樣檢測的手段得到一系列試驗數據，見表1。
表1 實測數據統計
根據統計數據，為了解軸承的磨損規律，采用Matlab中的一維插值（立方樣條插值法）對數據進行擬合，可得到軸承磨損經驗曲線，以便預測軸承的磨損情況。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—平穩磨損—急劇磨損。根據現場設備運行的要求，由于運輸輥道運行精度不是太高，只要保證其壽命長、故障率低即可，一般其磨損量不超過2mm。根據磨損曲線，可預知軸承的磨損狀態，軸承的更換時間大約在6個月左右。實踐證明，軸承壽命達6個月以上，表明了假設計算及擬合曲線的正確性。
原金屬軸承的使用壽命僅為1～2個月（有時甚至投用幾天就損壞），其單價為2300元。而非金屬軸承單價為200～300元，現場共改造24組輥道，則年節省直接費用達30萬元以上，減少停機時間等為生產間接創造的效益更是不可估量。
5、結論
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，新軸承各項參數均能達到規定要求。
5.2根據實測數據擬合得出UHMW-PE軸承的磨損經驗曲線，能夠對軸承的磨損情況進行監測，實踐證明，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，必須設置一套專門的潤滑水裝置，否則，集中傳動負載將急劇增大(系輥子與UHMW-PE軸承間干摩擦所致)，可能導致電機燒毀。
原金屬軸承的使用壽命僅為1～2個月（有時甚至投用幾天就損壞），其單價為2300元。而非金屬軸承單價為200～300元，現場共改造24組輥道，則年節省直接費用達30萬元以上，減少停機時間等為生產間接創造的效益更是不可估量。
5、結論
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，新軸承各項參數均能達到規定要求。
5.2根據實測數據擬合得出UHMW-PE軸承的磨損經驗曲線，能夠對軸承的磨損情況進行監測，實踐證明，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，必須設置一套專門的潤滑水裝置，否則，集中傳動負載將急劇增大(系輥子與UHMW-PE軸承間干摩擦所致)，可能導致電機燒毀。
來源：《山東冶金》