操作機吊掛系統中軸承損壞原因分析與對策

喬 健，馬廣龍，賈曉亮

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院，甘肅 蘭州 730050)

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操作機吊掛系統中軸承損壞原因分析與對策

喬 健，馬廣龍，賈曉亮

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院，甘肅 蘭州 730050)

為了有效解決鍛造操作機吊掛系統中銅制滑動軸承頻繁損壞的問題，基于現場實際工況，從損壞形式、受力情況以及軸承實際裝配情況等方面入手，對銅制滑動軸承損壞的原因進行了分析；同時，根據分析結果，制定出了對應的解決方案，已成功應用于實際生產當中，實現了吊掛系統中滑動軸承的安全可靠運行，對保證操作機正常的生產作業具有重要意義。

操作機；吊掛系統；銅制滑動軸承；承載壓力；自潤滑軸承

鍛造操作機是快鍛壓機機組的主要配套設備，可通過計算機控制，夾持鋼錠，配合壓機完成鍛料運送、旋轉、升降和傾斜等動作，配合壓機完成各種鍛造工藝，是鍛壓行業不可或缺的重要設備[1]。應用該操作機能有效提高機組工作效率，降低勞動強度。操作機能否正常工作對快鍛機組具有重要的意義。

1 吊掛系統結構

吊掛系統結構如圖1所示。目前，操作機故障主要出現在吊掛系統(可以實現鉗桿的平行升降或上下傾斜動作)吊桿中滑動軸承的損壞，合理解決吊掛系統故障問題對保證操作機正常工作至關重要。

圖1 吊掛系統結構圖

2 吊掛系統中吊桿的銅制滑動軸承損壞原因分析

銅制滑動軸承的損壞主要包括除研傷、磨損及擠壓變形。根據對現場失效軸承的分析，其損壞形式主要表現為過度磨損。其磨損量的大小主要受承載壓力、配合面相對速度、表面粗糙度、工作溫度和潤滑情況等因素影響。根據生產廠家所提供的樣本，磨損量W近似計算公式如下：

W=KPVT

(1)

式中，W是磨損量，單位為mm；K是摩擦因數；P是承載壓力，單位為N/mm2；V是線速度，單位為mm/s；T是磨損時間，單位為h。

若軸承和軸的材料已知，摩擦因數可以確定，根據式1可知，軸承的磨損主要取決于承載壓力和線速度。

吊掛系統中吊桿銅制滑動軸承損壞[2]的原因主要有下述幾個方面。

1)軸承的承載壓力。承載壓力是指軸承承受載荷時，軸承支承的最大載荷除以受壓面積。所謂受壓面積，當軸承為圓柱形時，取與軸承接觸部分的載荷方向的投影。承載壓力P計算式如下：

(2)

式中，F是承載載荷，單位為N；D是軸承內徑，單位為mm；L是軸承長度，單位為mm。由承載壓力計算公式可知，軸承長度是影響承載壓力的主要因素，也是導致軸承磨損的重要原因之一。

2)運動副的線速度。軸承的發熱量主要是由滑動軸承的摩擦作用引起的，滑動線速度V越大，單位時間內同一位置磨擦的次數越多，從而磨擦量越大，軸承面溫度上升越快；因此線速度也是影響軸承磨損的重要影響。

3)滑動軸承和軸的配合間隙超差。滑動軸承和軸配合間隙超差主要來自機械加工。在通常情況下，為了便于安裝，會出現間隙值大于實際要求，從而導致滑動軸承與軸的接觸面減小。根據滑動軸承承載壓力計算公式[3]得出，隨間隙增大趨勢，承載包絡面接觸趨向線接觸，局部承載壓力增大，接近或超出滑動軸承材料本身最高的承載壓力時，造成滑動軸承損壞。

4)滑動軸承材質和潤滑方式選擇不當。吊掛系統頻繁損壞的軸承材質為5-5-5錫青銅(ZCuSn5Pb5Zn5)，其基本性能見表1。這種滑動軸承材料本身的最高承載壓力比較小，并且這種材料的滑動軸承需要加潤滑油進行潤滑。如果滑動軸承和軸配合間隙過小，無法形成油膜，軸與軸承趨于干摩擦，容易造成軸承損壞；反之，潤滑油吸附鍛造過程中產生的灰塵和氧化皮等顆粒狀雜質也會加速軸承的磨損[4]。

表1 軸承材質基本性能

5)操作人員操作不規范。操作人員操作不規范是指操作人員在鍛造過程中，鋼錠未放在下砧面上或上、下砧面未對正時使壓機壓下進行鍛造，此時壓機壓力全部由鍛造操作機的鉗桿來承受，從而導致吊桿的滑動軸套承受載荷過大，造成滑動軸承受擠壓而損壞。

3 吊掛系統中吊桿滑動軸承損壞的解決方法

吊掛系統中吊桿軸承損壞的解決方法主要有下述幾方面。

1)合理確定滑動軸承長度。在確定軸徑后，滑動軸承長度影響其承載壓力，軸承越長，其所承受的承載壓力相對減小；反之，也會影響軸承使用性能。因此，確定軸承長度很關鍵，一般選擇軸承L/D=0.5～3；但應特別注意，在高載荷時易引起偏位接觸和高轉速時引起發熱情形，此時應取L/D<1。

2)采用固體自潤滑軸承。固體自潤滑軸承[5]是在軸承基體的金屬摩擦面上開出大小適當、排列有序的孔穴，然后在孔穴中嵌入由具有獨特自潤滑性能的成型固體潤滑劑(固體潤滑劑面積一般為摩擦面積的25%～35%)而制成的自潤滑固體軸承。該軸承綜合了金屬基體和特殊配方潤滑材料的獨特優點，突破了一般軸承依靠油膜潤滑的局限性。固體潤滑軸承的基體常用的材料有黃銅、錫青銅和鑄件等。嵌入的固體潤滑材料主要有兩大品種：一種由天然黑鉛、人工石墨和二硫化鉬合成；另一種以PTFE為基體合成。

根據軸承的基本使用參數和性能(見表2)，新的吊桿軸承采用牌號為CuZn25Al6FeMn3并加入了石墨、二硫化鉬等固體潤滑劑的固體自潤滑軸承[6]，其自身最高承載壓力高，不需要潤滑油，與軸配合的表面內不易吸附灰塵和顆粒狀雜質，提高了軸承使用壽命。

表2 軸承的基本使用參數和性能

同時，配合間隙的選取[7]也是決定滑動軸承能否正常高效運轉的重要因素。配合間隙在合適范圍內，能有效保證相對運動平滑進行，配合面受力均勻，所以確定合理的配合間隙很關鍵。本次改進中，軸、軸承和軸承座的配合間隙選取如圖2所示。

圖2 軸承裝配要求示意圖

3)對與軸承配合的軸的要求。

a.軸的材質和硬度。一般情況下，軸的材質選用優質碳素結構鋼和合金鋼等，上述材質經調質、表面淬火，表面的硬度應超過軸承的硬度，這樣能達到好的效果。如果在硬雜質、粉塵容易侵入的環境工作時，應盡可能采用硬度較高的材質。

b.軸的表面粗糙度。當軸的表面粗糙度過高時，會加劇滑動軸承的磨損，因此降低軸表面粗糙度，可以延長軸承的使用壽命。一般情況下，軸的表面粗糙度應≤Ra0.8 μm。

c.軸的表面處理。對軸進行電鍍處理可提高其耐腐蝕性，而且能夠有效防止粗糙磨損。為防止軸生銹和硬雜質、粉塵侵入加劇磨損，必要時應對軸進行鍍硬鉻處理。

4 結語

綜上所述，鍛造操作機吊掛系統中吊桿的軸承損壞原因多種多樣，本文對吊桿的軸承損壞原因進行了分析研究。在實際工作中，通過采取相應的解決方法，使軸承頻繁損壞得到改善(2008年4月，江蘇天工工具股份有限公司3 t操作機吊掛系統通過上述解決方案，應用至今運行狀況良好)，有效保證了鍛造操作機的良好運行。

[1] 張營杰,衛凌云,牛勇,等. 鍛造操作機發展現狀與研究方向[J]. 鍛壓裝備與制造技術，2012(2):11-14.

[2] 于群，齊富民，聞天苑. 最新軸承設計與技術規范、故障診斷實務全書[M]. 北京：當代中國音像出版社，2005.

[3] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.

[4] 張憲文.滑動軸承承載能力的理論研究和實驗分析[D]. 成都：西南交通大學，2011.

[5] 楊麗穎,李長春,王守仁,等.固體自潤滑軸承的設計與應用[J]. 軸承，2004(3):9-11.

[6] 顏志光.新型潤滑材料與潤滑技術實用手冊[M]. 北京：國防工業出版社, 1999.

[7] 魏尚廷.滾動軸承配合的選擇經驗[J]. 水力采煤與管道運輸，2008(2):53-54.

責任編輯 鄭練

Solutions for Damaged Reason of Bearing of Manipulator’s Hanging System

QIAO Jian, MA Guanglong, JIA Xiaoliang

(Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute, Lanzhou 730050, China)

In order to solve the frequently damaged problem about the plain bearing which is used for hanging system of forging manipulator, based on the site, forces, assembled case and damaged forms, the damaged cause of copper plain bearing is analyzed. At the same time, according to the analysis results, the effective solutions is proposed and used successfully in actual production. Achieve the safe and reliable operation about the plain bearing of hanging system, which is obvious for ensuring the normal production work of manipulator.

manipulator, hanging system, copper plain bearing, bearing pressure, self-lubricating bearing

TH 11

A

喬健(1979-)，男，工程師，主要從事特種設備及其控制等方面的研究。

2016-05-18