新型金剛石鏈鋸運轉可行性研究(三)①
——鏈條磨損規律及鏈條壽命的求算

劉志環,寧春旭,潘曉毅

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西 桂林541004；2.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西 桂林541004；3.中國有色桂林礦產地質研究院,廣西 桂林541004)

1 前言

在過去的文章[1]中,我們介紹了我中心開發的一種采用齒形嚙合做無導板化運轉進行鋸切的新型金剛石鏈鋸,其應用于荒料開板時,比目前現有其它開板工具在鋸切性能和經濟成本方面均具有明顯的優勢。本實驗將結合數理推導對該新型金剛石鏈鋸的鏈條磨損規律及鏈條壽命進行計算,并對其性能特點進行進一步[2]深入的了解,以分析該產品的推廣可行性。

2 鏈鋸鏈條磨損規律及鏈條壽命的求算方法

研究鏈條磨損理論,主要用于計算鏈條的的工作壽命,是設計鏈條的重要基礎。

2.1 鏈條傳動構件磨損之形式和特點

鏈條破壞的重要原因：因磨損導致鏈節伸長而致使鏈條梗齒、脫嚙甚至斷裂。

鏈條磨損形式包括：

①銷軸磨損：隨轉速增大而增大；

②輪齒磨損；

③鏈板工作齒面磨損；

④鏈板及銷軸側面磨損：裝配不正確、切割工件時磨粒磨損等。

2.2 單位摩擦功及鏈條磨損系數的求算

首先計算齒形鏈條回轉一周,在所有銷軸中之摩擦功A：

A1：鏈板在嚙進主動及從動輪時,其銷軸中的摩擦功

式中：為摩擦力矩,kg·m；

a為回轉角,rad。

式中：δ為銷軸直徑,cm；

f為銷軸內部之滑動摩擦系數；

m為銷軸總數；

SB為緊邊總張力；

SX為松邊總張力。

A2：同一鏈板由主動及從動輪退嚙時,其銷軸中之摩擦功：

當

A值即為鏈鋸空轉時所消耗的功率。

計算每秒鐘內每一銷軸中的平均單位摩擦功為：

式中：F為單個銷軸的摩擦面積,F=eδ,e為銷軸長度,δ為銷軸直徑,單位為cm；

T為鏈條回轉一周所用的時間為鏈條節距,cm,v為鏈條線速度,m/s；

又為速比,其中P為鏈條所傳動之力。

上式中除摩擦系數f外,其它值均可求得,故常計算磨損系數k：

代入新型鏈鋸參數：SB=170.5kg,SX=70.75kg,i=1,v=30m/s,e=0.42cm,m=126個,p=3.175,z=51個,可計算出其磨損系數k值為：

又有研究發現,鏈節平均伸長量Δt與鏈條磨損系數k的關系曲線如圖1所示。

圖1 鏈節伸長量與磨損系數的關系Fig.1 Relationship between the chain link elongation and wear coefficient

由圖1可知,鏈條工作開始時,平均鏈節伸長量與磨損系數k成正比例關系；當k＞0.6～0.7時,隨著磨損系數k的增加,鏈節平均伸長量Δt也隨之急劇增加。

因此,試驗鏈鋸磨損系數很大,超過了鏈條正常磨損系數。但是對于大型設備,由于鏈節數與鏈輪次數大大增加,因此磨損系數k值可以大大降低。以Φ2100mm的兩大輪傳動為例,其鋸切石材長度為2300mm,則其鏈節總數為m=2100/31.75=504節,其鏈輪齒數z=210個,其它參數與試驗機相同,即e=0.42cm,p=3.175cm,鏈條線速度為v=30m/s,其鋸切緊邊張力SB、松邊張力SX計算如下：

a.依靠螺桿推動給予鏈條之張力F0

q=0.75kg/m,l=4.4m,為使鏈鋸對石材施加相同的下壓力,在試驗機垂度為35mm時(松邊跨度l=1.1m),大型設備鏈鋸垂度f應設置為4×35=140mm,則有：

b.因離心力作用而產生之鏈條張力F l

c.切削阻力Fc

由于大型設備切削石材長度是試驗機的4倍,則假設切削功率消耗為2k W×4=8k W,鏈鋸所受切削阻力大小為：

d.鏈條所受動載荷Fd

其中：n為鏈輪轉速270rpm；

m為鏈條緊邊的質量,m=0.75kg/m×4.4m=3.32kg；

ψ為計及鏈條伸縮性及垂度影響之系數。ψ=0.5～0.75,由于視鏈條軸距而定,軸距越大,ψ值越小,故取ψ=0.5；

則有：

由此可得大型設備鏈條緊邊受力大小為：

用于切割石材鏈條松邊受力F2=F0+F l+F d=128+675+209=1012N；

非用于切割石材鏈條受力F3=F0+F l=128+675=803N

由此可知,設備越大,鏈條受力反而越小。

代入大型設備各個參數值,可得出在以Φ2100mm的兩大輪傳動時,當其兩輪間距為4.4m的情況下,可計算出其鏈條磨損系數k值為：

因此,對于大型設備,鏈條磨損系數k遠在正常范圍之內。且由公式可以看出,增大張緊力、增大運轉線速度都會引起磨損系數的增加；而增加銷軸長度、鏈節個數、鏈節長度及鏈輪齒數都能降低磨損系數；另外可以看出,銷軸直徑對磨損系數沒有影響；因而增大銷軸直徑是不能達到減少銷軸磨損的目的的。

磨損系數是鏈條傳動中非常重要的系數,實際應用中應盡量減小磨損系數,以減少單位摩擦功,從而減少鏈節伸長,提高鏈條使用壽命。

3 鏈條磨損規律及鏈條壽命的計算方法

研究發現,鏈條的磨損規律如圖2所示：在鏈條開始工作時,因工作面之磨合,在某一段時間內鏈節的伸長較大；此后,鏈節之伸長度即按其工作時間的比例削減；至銷軸表層耐磨層去除后開始破壞。在鏈節伸長度達2.5%～3%前,一般可認為鏈節伸長量Δt與使用時間T成嚴格之比例。

圖2 鏈節伸長量與時間的關系Fig.2 Relationship between the chain link elongation and the working time

由圖2可知,銷軸工作面磨合后,平均鏈節在穩定條件下系按工作時間比例而伸長,因而有：

式中：Δtφ為為平均鏈節允許伸長極限；

T為鏈條壽命；

h為鏈條開始因銷軸工作面磨合而產生的附加平均鏈節伸長度；

Δt0為經任意一定時間T0后不計及工作面磨合的平均鏈節伸長度。

由式6可以推出如下公式：

若已知工作一定時間T0時鏈節的平均伸長量Δt0,可由式①計算出鏈條的壽命；計算出鏈條壽命后,可根據式②求算出經過一定時間后鏈條的平均伸長量。

4 節塊與鏈條磨損實驗

由于實驗時間有限,試驗機鋸切石材不多,金剛石節塊實驗前后基本沒有消耗,而無法計算節塊壽命。但是由鏈鋸節塊結構本身可以決定其工作壽命可大大超過金剛石繩鋸,這種優勢是不言而喻的,因此,亦可暫時不做節塊磨損實驗。已知φ10.5、33串/m軟質大理石荒料整形用金剛石繩鋸平均單位壽命為35m2/m,可通過下面的公式估算新型金剛石鏈鋸單位壽命：

繩鋸每米串珠體積/繩鋸每米鋸切面積=鏈鋸每米節塊體積/鏈鋸每米鋸切面積

即新型金剛石鏈鋸節塊的單位壽命為56m2/m,是一般金剛石繩鋸的1.6倍。

鏈條壽命實驗與鋸切石材平方數無關,只與其運行時間有關,其運行時間包括鋸切時間和空轉時間,故可做實驗。

4.1 實驗目的

測試鏈條在一定時間內的鏈節平均伸長量及鏈寬與銷軸磨損量,從而推算鏈條使用壽命。

4.2 實驗方法

在鏈條運行3h后使鏈條渡過磨合期,再將鏈條取下,采用材料萬能試驗機將若干節鏈條豎直拉緊,拉緊力保持在500N,然后用卷尺測量17節鏈條的長度L1,共測量4段,并求總長度的平均值；再使鏈條運行20h后,使用相同的方法測量17節鏈條的長度L2,求其平均值。則工作T0=20h后鏈條單

則鏈條壽命可用下面的公式計算：

其中Δtφ為平均鏈節允許伸長極限Δtφ=1.59mm,Δt t為鏈條工作時最大彈性伸長量,由后面的鏈條拉伸實驗可知Δt t=0.09mm。則有,鏈條的實驗機鏈條壽命計算公式為：

4.3 實驗結果與分析

實驗結果見表1

表1 鏈條拉伸實驗結果Table 1 Tensile experiment of the chain

由此可知,鏈條工作20h后平均伸長量為：

則可計算出鏈條壽命為：

以安全系數為85%計算,鏈條工作壽命為345×85%=293h,則每米鏈條使用壽命為：293/4=73h/m,每米鏈條最高使用壽命為86h/m。

以鋸切大理石效率為5.5m2/h計算,每米鏈條鋸切面積為5.5×73=365m2/m,每米鏈條最高鋸切面積為474m2/m。以鏈鋸節塊單位壽命為56m2/m計算,鏈條安全復焊次數為6次,最高可復焊8次。若大批量生產,鏈條單位成本為63元/m,則鏈條的鋸切單位成本為63/365=0.17元/m2；金剛石節塊的單位成本為152.5元/m,則金剛石節塊的單位成本為152.5/56=2.72元/m2,金剛石鏈鋸工具總鋸切成本為2.89元/m2。而用于鋸切大理石的金剛石繩鋸單位鋸切成本為8～10元/m2,因此,金剛石鏈鋸的鋸切單位成本是很低的。

參考文獻：

[1] 劉志環,等.荒料開板工具存在的問題及新型工具的研制[J].超硬材料工程,2008(2)：22-26.

[2] 劉志環,等.新型金剛石鏈鋸鋸切試驗研究[J].超硬材料工程,2009(3)：34-38.

[3] [蘇]伏羅別耶夫.鏈條傳動[M].