QT600—3材料為船閘閘門底樞蘑菇頭帽的模擬磨損研究

許明

摘要： 本文通過對船閘閘門底樞蘑菇頭摩擦副進行模擬磨損試驗，比較分析了以材料QT600-3和銅基鑲嵌自潤滑材料Fz-5（3）制造的蘑菇頭帽在有潤滑和無潤滑工況下運行30萬次的磨損狀況，試驗結果顯示：兩種材料的蘑菇頭帽在運行20萬次以內，有潤滑狀況下其磨損都較小，無水無潤滑狀況下磨損都較大。QT600-3材料市場供應充足，性價比高，使用更為方便。

關鍵詞： 船閘；蘑菇頭帽；磨損；自潤滑材料；QT600-3

中圖分類號：U641.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）26-0023-03

0 引言

在人字門船閘和三角門船閘中，底樞蘑菇頭和蘑菇頭帽既是一對運動副又是一對摩擦副，底樞蘑菇頭帽的磨損是影響船閘閘門運行的一個主要問題。經過多年來不斷的探索和研究，已取得了一些較好的技術經驗。以前船閘蘑菇頭帽使用過的材料有ZQSn6-6-3、ZQAl9-4、ZCuAl10Fe3等青銅材料，其耐磨性能均較差。船閘使用一個大修周期時，均出現嚴重的磨損。

盛選禹等（1998）進行了潤滑條件下船閘材料的耐磨性研究，王建民等（2001）研究了ZCuAl8Mn13Fe3、CuNiCoBo以及38CrMoAlA等材料的蘑菇頭帽，ZCuAl8Mn13Fe3材料的蘑菇頭帽耐磨性能較差，磨損較大，38CrMoAlA材料的蘑菇頭帽耐磨性能較好，磨損量較小，使用中蘑菇頭和蘑菇頭帽之間咬啃現象嚴重。

殷戀飛等（2006）進行了銅基鑲嵌自潤滑材料Fz-5（3）材料為蘑菇頭帽的模擬磨損研究，用銅基鑲嵌自潤滑材料Fz-5（3）制造的蘑菇頭帽耐磨性能較好，磨損量較小，但該材料市場供應量較少，價格較高。

球墨鑄鐵QT600-3是一種帶有自潤滑性能的耐磨材料，該材料價格較低，市場供應充沛。在船閘閘門底樞蘑菇頭帽中應用材料QT600-3，其耐磨性能還沒有人進行過研究，本文通過對用球墨鑄鐵QT600-3材料制造船閘閘門底樞蘑菇頭帽與蘑菇頭的配對磨耗試驗，并與蘑菇頭帽采用銅基鑲嵌自潤滑材料Fz-5（3）的摩擦副進行磨損比對，研究將球墨鑄鐵QT600-3材料應用于船閘閘門底樞蘑菇頭帽上的可行性。

1 試驗儀器

試驗機使用自行設計的模擬磨損試驗機，用于模擬磨損試驗的底樞蘑菇頭帽半徑為50mm，試驗用門體近似按實物10：1比例縮小。為使實驗底樞蘑菇頭帽的接觸應力與實際工況相似，在試驗門上安裝一加載油缸，以便調整作用在底樞蘑菇頭帽上的作用力。

試驗是模擬船閘閘門運行工況，使門體作67.5°擺動，速度為1.5m/min，即開門或關門時間約為20秒。一個繁忙船閘在一個大修周期內運行的次數約15萬次，從提高船閘底樞蘑菇頭帽的耐磨性能延長船閘大修周期的角度出發，試驗擬運行30萬次。在實際運行中運行一定次數后作一次磨耗測量，以便掌握磨耗規律。

對試驗用的泵站，控制啟閉油缸的油路采用差動油路，并配有自動換向裝置和自動記數裝置。加載油缸油路為恒壓系統，防止油壓波動太大造成精度下降。

試驗機上還配備潤滑泵、電控箱，實施對各摩擦副進行自動潤滑。

2 試驗材料

試驗用的蘑菇頭帽材料選用2種：QT600-3（調質后球面滲氮HV600）和銅基鑲嵌自潤滑材料Fz-5（3）。蘑菇頭材料選用40Cr，調質后球表面淬火。

3 試驗方法

試驗采用兩種配對分別在三種狀態下進行，共六組試驗。

兩種配對：第一種是蘑菇頭采用40Cr材料，蘑菇頭帽采用QT600-3材料；第二種是蘑菇頭采用40Cr材料，蘑菇頭帽采用銅基鑲嵌自潤滑材料Fz-5（3）。

三種狀態分別是：有水有潤滑狀態磨損試驗、有水無潤滑狀態磨損試驗和無水無潤滑狀態磨損試驗。潤滑是指在蘑菇頭和帽之間加MoS2鋰基脂進行潤滑。

試驗測量周期和運行次數：測量周期：運行5萬次測量一次蘑菇頭與蘑菇頭帽的磨損量。試驗運行次數：30萬次。

4 試驗結果及分析

4.1 有水有潤滑狀態下磨耗試驗：

4.1.1 蘑菇頭采用鍛40Cr，調質HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇頭帽采用QT600-3，調質HB240，球面滲氮0.4mm，HV600。

此種材料搭配的摩擦副磨耗試驗數據見表1，磨耗曲線見圖1。

4.1.2 蘑菇頭采用鍛40Cr，調質HB240，球表面淬火HRc45；蘑菇頭帽采用自潤滑銅Fz-5（3）。

此種材料搭配的摩擦副磨耗試驗數據見表2，磨耗曲線見圖2。

對比以上數據，這兩種摩擦副在有水有潤滑的相同磨耗條件下：

在運轉25萬次以內，QT600-3蘑菇頭帽磨損正常，最大磨損量為0.52mm，而超過25萬次以后，磨損快速增大。

在運轉20萬次以內，Fz-5（3）蘑菇頭帽磨損正常，最大磨損量為0.22mm，而超過20萬次以后，磨損快速增大。

4.2 有水無潤滑狀態磨耗試驗

4.2.1 蘑菇頭采用鍛40Cr，調質HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇頭帽采用QT600-3，調質HB240，球面滲氮0.4mm，HV600。

此種材料搭配的摩擦副磨耗試驗數據見表3，磨耗曲線見圖3。

4.2.2 蘑菇頭采用鍛40Cr，調質HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇頭帽采用自潤滑銅Fz-5（3）。

此種材料搭配的摩擦副磨耗試驗數據見表4，磨耗曲線見圖4。

對比以上數據，這兩種摩擦副在有水無潤滑的相同磨耗條件下：

在運轉25萬次以內，QT600-3蘑菇頭帽磨損正常，最大磨損量為0.90mm，而超過25萬次以后，磨損快速增大。

在運轉20萬次以內，Fz-5（3）蘑菇頭帽磨損正常，最大磨損量為0.24mm，而超過20萬次以后，磨損快速增大。

4.3 無水無潤滑狀態磨損試驗

4.3.1 蘑菇頭采用鍛40Cr，調質HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇頭帽采用QT600-3，調質HB240，球面滲氮0.4mm，HV600。

在運轉5萬次時，QT600-3蘑菇頭帽磨損量已達2.2mm，40Cr蘑菇頭的磨損量為0.19mm。

4.3.2 蘑菇頭采用鍛40Cr，調質HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇頭帽采用自潤滑銅Fz-5（3）。

在運轉5萬次時，Fz-5（3）蘑菇頭帽磨損量已達3.8mm，40Cr蘑菇頭的磨損量為0.65mm。

5 研究結論和建議

由試驗結果可知：在有水有潤滑及有水無潤滑的運行條件下，QT600-3蘑菇頭帽和Fz-5（3）蘑菇頭帽在運行20萬次即在船閘一個大修周期內（約運行15萬次），磨損量都較小，都能滿足船閘運行的要求。但在無水無潤滑的條件下，兩種蘑菇頭帽的磨損量都較大，即在無水無潤滑的條件下盡量少運行。

研究結論：相對于Fz-5（3）材料的蘑菇頭帽，QT600-3材料的蘑菇頭帽的耐磨性能以及相應的自潤滑性能相當接近，但QT600-3材料的市場供應充足，性價比高，制造方便，在船閘閘門底樞的使用中具有廣泛的應用前景和市場。另外，此次試驗采用的是普通球墨鑄鐵材料，如對球鐵進行低合金化，將較大地增加球鐵的耐磨性能。

建議：對以QT600-3材料制造的蘑菇頭帽的耐磨實際應用效果進行跟蹤研究。根據文獻資料，在球鐵中加入微量的Cu、Sb元素使其合金化，將顯著地提高球鐵的的耐磨性能，可對球鐵的合金化在船閘運轉件中的應用進行研究。

參考文獻：

[1]盛選禹，雒建斌，溫詩鑄.潤滑條件下船閘材料的耐磨性研究[J].清華大學學報，1998，38（4）：47-51.

[2]王建民.船閘運轉件磨損實驗報告[M].江蘇省交通廳航道局，2001.

[3]殷戀飛，丁建寧，岳陸游等.幾種人字門底樞材料的摩擦磨損性能研究[J].潤滑與密封，2006（11）：130-132.

[4]王建民.人字門船閘底樞摩擦副零件失效事故分析及材料研究[J].現代交通技術，2006（4）：78-81.

[5]司敬陽.人字閘門底樞結構改進及材料選用[J].水利電力機械，2007，29（2）：11-14.

在運轉20萬次以內，Fz-5（3）蘑菇頭帽磨損正常，最大磨損量為0.24mm，而超過20萬次以后，磨損快速增大。

4.3 無水無潤滑狀態磨損試驗

4.3.1 蘑菇頭采用鍛40Cr，調質HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇頭帽采用QT600-3，調質HB240，球面滲氮0.4mm，HV600。

在運轉5萬次時，QT600-3蘑菇頭帽磨損量已達2.2mm，40Cr蘑菇頭的磨損量為0.19mm。

4.3.2 蘑菇頭采用鍛40Cr，調質HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇頭帽采用自潤滑銅Fz-5（3）。

在運轉5萬次時，Fz-5（3）蘑菇頭帽磨損量已達3.8mm，40Cr蘑菇頭的磨損量為0.65mm。

5 研究結論和建議

由試驗結果可知：在有水有潤滑及有水無潤滑的運行條件下，QT600-3蘑菇頭帽和Fz-5（3）蘑菇頭帽在運行20萬次即在船閘一個大修周期內（約運行15萬次），磨損量都較小，都能滿足船閘運行的要求。但在無水無潤滑的條件下，兩種蘑菇頭帽的磨損量都較大，即在無水無潤滑的條件下盡量少運行。

研究結論：相對于Fz-5（3）材料的蘑菇頭帽，QT600-3材料的蘑菇頭帽的耐磨性能以及相應的自潤滑性能相當接近，但QT600-3材料的市場供應充足，性價比高，制造方便，在船閘閘門底樞的使用中具有廣泛的應用前景和市場。另外，此次試驗采用的是普通球墨鑄鐵材料，如對球鐵進行低合金化，將較大地增加球鐵的耐磨性能。

建議：對以QT600-3材料制造的蘑菇頭帽的耐磨實際應用效果進行跟蹤研究。根據文獻資料，在球鐵中加入微量的Cu、Sb元素使其合金化，將顯著地提高球鐵的的耐磨性能，可對球鐵的合金化在船閘運轉件中的應用進行研究。

參考文獻：

[1]盛選禹，雒建斌，溫詩鑄.潤滑條件下船閘材料的耐磨性研究[J].清華大學學報，1998，38（4）：47-51.

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[3]殷戀飛，丁建寧，岳陸游等.幾種人字門底樞材料的摩擦磨損性能研究[J].潤滑與密封，2006（11）：130-132.

[4]王建民.人字門船閘底樞摩擦副零件失效事故分析及材料研究[J].現代交通技術，2006（4）：78-81.

[5]司敬陽.人字閘門底樞結構改進及材料選用[J].水利電力機械，2007，29（2）：11-14.

在運轉20萬次以內，Fz-5（3）蘑菇頭帽磨損正常，最大磨損量為0.24mm，而超過20萬次以后，磨損快速增大。

4.3 無水無潤滑狀態磨損試驗

4.3.1 蘑菇頭采用鍛40Cr，調質HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇頭帽采用QT600-3，調質HB240，球面滲氮0.4mm，HV600。

在運轉5萬次時，QT600-3蘑菇頭帽磨損量已達2.2mm，40Cr蘑菇頭的磨損量為0.19mm。

4.3.2 蘑菇頭采用鍛40Cr，調質HB240，球表面淬火HRc45；

蘑菇頭帽采用自潤滑銅Fz-5（3）。

在運轉5萬次時，Fz-5（3）蘑菇頭帽磨損量已達3.8mm，40Cr蘑菇頭的磨損量為0.65mm。

5 研究結論和建議

由試驗結果可知：在有水有潤滑及有水無潤滑的運行條件下，QT600-3蘑菇頭帽和Fz-5（3）蘑菇頭帽在運行20萬次即在船閘一個大修周期內（約運行15萬次），磨損量都較小，都能滿足船閘運行的要求。但在無水無潤滑的條件下，兩種蘑菇頭帽的磨損量都較大，即在無水無潤滑的條件下盡量少運行。

研究結論：相對于Fz-5（3）材料的蘑菇頭帽，QT600-3材料的蘑菇頭帽的耐磨性能以及相應的自潤滑性能相當接近，但QT600-3材料的市場供應充足，性價比高，制造方便，在船閘閘門底樞的使用中具有廣泛的應用前景和市場。另外，此次試驗采用的是普通球墨鑄鐵材料，如對球鐵進行低合金化，將較大地增加球鐵的耐磨性能。

建議：對以QT600-3材料制造的蘑菇頭帽的耐磨實際應用效果進行跟蹤研究。根據文獻資料，在球鐵中加入微量的Cu、Sb元素使其合金化，將顯著地提高球鐵的的耐磨性能，可對球鐵的合金化在船閘運轉件中的應用進行研究。

參考文獻：

[1]盛選禹，雒建斌，溫詩鑄.潤滑條件下船閘材料的耐磨性研究[J].清華大學學報，1998，38（4）：47-51.

[2]王建民.船閘運轉件磨損實驗報告[M].江蘇省交通廳航道局，2001.

[3]殷戀飛，丁建寧，岳陸游等.幾種人字門底樞材料的摩擦磨損性能研究[J].潤滑與密封，2006（11）：130-132.

[4]王建民.人字門船閘底樞摩擦副零件失效事故分析及材料研究[J].現代交通技術，2006（4）：78-81.

[5]司敬陽.人字閘門底樞結構改進及材料選用[J].水利電力機械，2007，29（2）：11-14.